DE1088216B - Schallabsorbierender, vorzugsweise plattenfoermiger Koerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen vorzugsweise plattenförmigen Körper zum Absorbieren akustischer Energie, insbesondere einen solchen, der zugleich lichtdurchlässig ist.

Es sind schon viele Versuche gemacht worden, eine Fläche, etwa eine Zimmerdecke, so zu gestalten, daß sie Schallenergie absorbiert und doch lichtdurchlässig ist. Jedoch sind die zugleich schallabsorbierenden und lichtdurchlässigen Stoffe verhältnismäßig biegsam, in der Struktur nicht starr genug oder aus anderen Gründen für Bauzwecke nicht geeignet. Es ist jedoch sehr erwünscht, ein Zimmer oder einen anderen Raum mit einer untergehängten Lichtdecke zu beleuchten und doch eine Möglichkeit zum Absorbieren von nach oben gerichtetem Raumschall zu haben.

So ist beispielsweise vorgeschlagen worden, die Beleuchtungskörper mit Schallschluckplatten zu verbinden. Deckenbeleuchtungskörper enthalten häufig eine in einem Reflektor liegende, mit einem durchscheinenden Glas oder anderem lichtstreuendem Material abgedeckte Leuchtstoffröhre. Zwischen den Reflektoren nebeneinanderliegender derartiger Beleuchtungskörper wurden beispielsweise bekannte schallschluckende Stoffe angebracht und bildeten so eine Unterdecke. Diese Anordnung hat den großen Nachteil, daß die zwischen den Beleuchtungskörpern liegenden Felder mit dem schallabsorbierenden Material den Durchtritt des Lichtes nicht gestatten, so daß große Bereiche der Unterdecke unbeleuchtet bleiben. Wenn eine starke Schallabsorption erreicht werden soll, ist deshalb die von den Deckeiibeleüchtungskörpern zur Verfügung gestellte Lichtmenge sehr begrenzt. Außerdem reflektieren die verhältnismäßig großen flachigen Abdeckungen der Beleuchtungskörper aus durchscheinendem Glas oder anderem Material den darauf gerichteten Schall erheblich.

Eine andere bekannte Technik zur Lösung dieses Problems besteht darin, Beleuchtungskörper unter einer festen Decke aufzuhängen, die Beleuchtungskörper mit einem durchscheinenden Schirm aus Glas oder Kunststoff abzudecken und schallabsorbierende Platten aus starrem, absorbierendem Material am Schirm aufzuhängen. Die Platten können auch durch schallabsorbierendes, in durchbrochenen Behältern befindliches Fäserm&terial ersetzt werden. Wenn eine stärkere Schallabsorption erforderlich ist, so müssen jedoch die von der durchscheinenden, die Beleuchtungskörper abdeckenden Unterdecke herabhängenden schallabsorbierenden Platten eine beträchtliche Tiefe haben, und der Abstand zwischen ihnen muß klein sein, wodurch aber die Beleuchtung stark beeinträchtigt wird. Außerdem haben solche herabhängenden Platten ein unschönes Aussehen und stören die gewünschte Wirkung einer glatten· Decke.

Schallabsorbier ender,
vorzugsweise plattenförmiger Körper

Anmelder:

Bolt Beranek and Newman Inc.,
Cambridge, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Müller-BÖrner,

Berlin-Dahlem, Podbielskiallee 68,
und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, München 22, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. September 1955

Bill G. Watters, Nahant, Mass.,

und Jordan J. Baruch, Newton, Mass. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

Zur Lösung dieses Problems sind noch weitere Vorschläge gemacht worden, zu denen die Verwendung schallabsorbierender Jalousien gehört, die von der Decke herabhängen und zwischen denen die Beleuchtungskörper des Raumes angebracht werden können. Diese Vorschläge haben ebenfalls die erwähnten und weitere Nachteile.

Eine befriedigende Losung dieses Problems ist an und für sich durch Verwendung eines lichtdurchlässigen Körpers möglich, der verhältnismäßig starr, beispielsweise aus Kunststoff ist und Öffnungen aufweist, die durch einen Widerstand bildendes schallabsorbierertdes Material, wie Faserschichten od. dgl., abgedeckt sind. Manchmal ist es aber erwünscht, den starren lichtdurchlässigen Körper aus Kunststoff oder sonstigem Material selbst 2ur Schallabsorption zu verwenden. Dies war bisher, wie erwähnt, nicht durchführbar, weil das Material, wenn es starr genug ist, um als Platte sein Eigengewicht frei zu tragen, stark schallreflektierend wirkt, Obwohl es bekannt ist, daß Öffnungen in einem solchen plattenförmigen Körper für durch sie hindurchgehende Schallwellen verschiedener Frequenzen eine Impedanz bilden, wurde es bisher als undurchführbar angesehen, eine akustische Impedanz, also einen SchallwellenwiderStand, mit einer Bauweise zu erzielen, die den Körper selbst zu einer wirksamen schallabsorbierenden Vorrichtung macht.

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Bisher wurde im Gegenteil hinter der gelochten Platte üblicherweise ein Luftraum vorgesehen, der von einer mit schallabsorbierendem Material versehenen Wandung begrenzt ist.

Es wurde jedoch erfindungsgemäß festgestellt, daß allein durch geeignete Wahl der Größe und der Anzahl der öffnungen je Flächeneinheit eines Körpers bestimmter Dicke diese Öffnungen selbst eine wesentliche akustische Impedanz, also einen Schallwellenwiderstand, erzeugen, die dem Körper die Fähigkeit der Schallabsorption auf einem breiten Frequenzband verleiht. Der Körper kann somit zugleich als lichtdurchlässige Abdeckung und als Mittel zur Raumschalldämpfung dienen, ohne daß zusätzliche Schichten aus schallabsorbierendem Material oder auf Wand-, Decken- oder ähnlichen Flächen angebrachte schallabsorbierende Verkleidungen notwendig wären.

Gemäß der Erfindung ist der schallabsorbierende, vorzugsweise plattenförmige Körper so ausgebildet, daß zur Schallabsorption Löcher dienen und daß zwischen der Anzahl η der Löcher je Quadratzentimeter seiner Oberfläche, dem Halbmesser r der einzelnen Löcher in Millimetern und der Dicke d des Körpers in Millimetern folgende Beziehung besteht:

ag 4 log r = k — log nid,

wobei k eine Konstante mit einem Wert von ungefähr — 6,20 bis —4,20 ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer zweckmäßigen, als Unterdecke geeigneten Ausführungsform der Erfindung mit Teilschnitt,

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt, etwa nach der Linie 2-2 in Fig. 1 in Richtung der Pfeile gesehen,

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips, das den Lochdurchmesser über dem Quotienten aus der Anzahl η der Löcher je Flächeneinheit in Quadratzentimetern und der Plattendicke in Zentimetern darstellt, und

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Schallschluckwirkung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Platte, das in der ausgezogenen Kurve den gemessenen, in der gestrichelt gezeichneten Kurve den berechneten Wert des Schallabsorptionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz in Hz darstellt.

In Fig. 1 sind bei 3 an einer festen Decke 5 Leuchtröhren 1 aufgehängt. Von der festen Decke 5 hängen bis unterhalb der Beleuchtungskörper mehrere Hängeglieder 7 herab, die mit Ansätzen 11 an den Stegen 12 horizontal verlaufende Träger 9 T-förmigen Querschnitts befestigt sind. Auf den Flanschen 13 benachbarter Träger 9 liegen aus lichtdurchlässigem Material bestehende, erfindungsgemäß ausgebildete Platten 15.

Die Platten 15 sind verhältnismäßig starr, weisen zahlreiche Löcher 17 auf und können durchscheinend oder durchsichtig sein. Verschiedenartige ästhetische Wirkungen können je nach Wunsch durch Wellung, durch Prägung oder durch andersartige Dekoration der Platten 15 erzielt werden.

Zu den für einen lichtdurchlässigen, schallabsorbierenden Körper nach der Erfindung geeigneten Stoffen gehören, um nur wenige zu nennen, Kunststoffe, wie beispielsweise Styrol, Polystyrol, Polyester-Kunstharze, und verhältnismäßig starre Polyvinylkunststoffe, wie Polyvinylchlorid und -azetat. Selbstverständlich ist es an sich bekannt, diese und andere Kunststoffe in jedem gewünschten Grade lichtstreuend, durchscheinend oder durchsichtig herzustellen. Außerdem ist es an sich bekannt, diese Materialien mit Löchern und mit jeder gewünschten Wellung, Prägung oder anderen dekorativen oder ornamentalen Oberfläche herzustellen. Ein ungelochter oder ungeeignet gelochter dichter und starrer Körper würde jedoch breite Frequenzbereiche auftreffender akustischer Energie stark reflektieren.

Die überraschende Schallschluckwirkung der gemäß der Erfindung bemessenen Lochung könnte folgenden Grund haben: Die Löcher stellen im allgemeinen den Hauptweg für die akustische Energie von der Unterseite zu der Oberseite des Körpers dar. Wenn die Löcher in geeigneter Weise bemessen und angeordnet sind, wird die akustische Energie, wenn sie durch die Löcher hindurchgehen muß, infolge der viskosen Reibung und durch andere Widerstandswirkungen der Löcher aufgezehrt. Wenn die Löcher jedoch die meistens in den bekannten schallabsorbierenden Decken verwendete Größe haben und verhältnismäßig dicht nebeneinanderliegen, so ist der der einfallenden Schallenergie im hörbaren Frequenzbereich entgegenstehende Schallwellenwiderstand zu niedrig, um eine Vernichtung der Schallenergie allein durch die Wirkung der Löcher hervorrufen zu können. Solange nicht die erfindungsgemäße Beziehung zwischen der Größe und der Zahl der Öffnungen je Flächeneinheit bei einem Körper bestimmter Dicke erfüllt ist, kann dieser nicht als in einem breiten Frequenzband wirksamer Schallschlucker arbeiten.

Die allgemeine Beziehung zwischen dem spezifischen Schallwellenwiderstand R des Körpers, dem Halbmesser r der der Einfachheit halber etwa kreisförmig angenommenen Löcher, der Dicke d des Körpers und der Anzahl η der je Quadratzentimeter der Fläche des Körpers vorhandenen Löcher wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:

4 log₁₀ r = -3,33 — log₁₀ nid — log₁₀22. (1)

Die Größen r und d in der Gleichung (1) sind in Millimetern ausgedrückt. Es hat sich gezeigt, daß eine annähernd optimale Schallabsorption entsteht, wenn der Schallwellenwiderstand des Körpers ein Faktor 0 ist, der ungefähr gleich dem l,8fachen des spezifischen Schallwellenwiderstandes ist, den Luft einer ebenen Schallwelle entgegengesetzt, es ist also R = 1,8 · ρζ/ = 76 [dyn · sec · cm.—³], wo ρ die Luftdichte und ν die Geschwindigkeit der Schallwellen ist. Die entsprechende optimale Beziehung zwischen den untereinander abhängigen Veränderlichen r, η und d stellt sich dann folgendermaßen dar:

4 log₁₀r = -5,20 — log₁₀ nid. (2)

Die durch die Gleichung (2) dargestellte Optimumkurve ist die in Fig. 3 wiedergegebene Kurve A für 0 = 1,8. Die Kurve C gilt für 0 = 18, die Kurve B für 0 = 0,18. Links von der Kurve C liegt das Gebiet der praktisch ungelochten Platten, rechts von der Kurve B das der in der bisher üblichen Weise gelochten. Für einen Körper, bei dem das Verhältnis aus der Anzahl der Löcher je Quadratzentimeter und der Dicke des Körpers nfd = 611 ist, müßte der optimale Lochdurchmesser 2r rund 0,20 mm sein. Ein größeres Verhältnis nid = 6110 würde Löcher mit einem kleineren Durchmesser von rund 0,114 mm erforderlich machen, während ein kleines Verhältnis nid = 61,1 viel größere Löcher mit einem Durchmesser von rund 0,62 mm notwendig macht.

Während theoretisch die Gleichung (2) für jede Lochgröße Gültigkeit hat, hat sich in der Praxis ergeben, daß es obere-und untere wirtschaftlich zweck-

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mäßige Grenzen gibt. Die untere Grenze für den Loch- Durchmesser und einem Mittenabstand derselben von durchmesser wird nicht nur durch Schwierigkeiten der 6 mm) unter den gleichen zur Bestimmung der Ausführung kleinster Löcher bestimmt, sondern auch Kurven I und IV angewandten Meßbedingungen. Aus noch dadurch, daß feine Löcher durch Staub, Schmutz den Kurven ist zu ersehen, daß die nicht perforierte oder andere Teilchen verstopft werden können. Die 5 Platte eine typische Resonatorwirkung ergibt, die weit Beeinträchtigung durch Verstopfen kann allerdings unter der Schallschluckwirkung der erfindungsgemädadurch abgeschwächt werden, daß Luft von dem ßen Platte bleibt, und daß bei einer normal perforier-Raum hinter dem Körper aus durch die Löcher ge- ten Platte keine Absorption meßbar war. blasen wird. In Fig. 3 sind die Kurven bis zu einer Eine gewisse Verbesserung des erfindungsgemäßen

unteren Grenze von annähernd 0,05 mm für den Loch- io Körpers hinsichtlich der Schallabsorption für niedrige durchmesser eingezeichnet. Die obere Grenze ist durch Frequenzen entsteht jedoch infolge der Rückwirkung den Eindruck einer unschönen Durchlöcherung be- auf die Luft in dem Raum hinter dem Körper, die ' stimmt, die auffällig wird, wenn die Löcher so groß durch Schwingungen des Körpers bei dem Auftreffen sind, daß die Beleuchtungskörper durch sie zu sehen der Schallwellen niedriger Frequenz verursacht wird, sind. Dazu kommt, daß Schallenergie hoher Frequen- 15 Diese Erscheinung tritt beispielsweise auf bei einer zen nur ungenügend absorbiert wird, wenn die Löcher 0,5 mm dicken Vinylkunststoffplatte mit einem Schallzu groß sind. In Fig. 3 ist daher eine obere Grenze wellenwiderstand von annähernd 3 öv, die etwa 6,4 cm von etwa 1 mm für den Lochdurchmesser angenommen. unterhalb einer festen Decke an ihren Kanten mit Die Erfindung bringt auch in den Bereichen beider- Band befestigt ist. Die Resonanzfrequenz des zwischen seits der optimalen Werte der Gleichung (2) in der 20 der Platte und der Decke liegenden Luftraumes beKurve A einen wesentlichen Forschritt. Die Erfindung trägt etwa 1400 Hz. Es wurde bei Frequenzen von wird jedoch unwirksam, wenn man zu weit nach etwa 250 bis etwa 900 Hz eine verbesserte Absorption rechts in den Bereich der in üblicher Weise gelochten erzielt. Es ist allerdings wichtig, daß die der Luft Akustikplatten oder zu weit nach links in den Bereich durch den Körper entgegengesetzte mechanische Imder schallundurchlässigen Materialien gelangt. Prak- 25 pedanz, die entweder von dem Biegewiderstand des tische Grenzwerte für den Schallwellen widerstand sind Körpers oder von dem Widerstand herrührt, der annähernd das 0,18- und das 18fache des spezifischen durch die Befestigung des Körpers an seinen Kanten Schallwellenwiderstandes, den Luft einer ebenen entsteht, nicht zu klein ist, da sich sonst der Körper Schallwelle entgegensetzt, wobei ungefähre Grenz- bei den tiefen Frequenzen ohne Energieaufnahme und werte von R=T,β und 2?=760 [dyn · see · cm-³] er- 30 damit ohne Schallabsorption bewegt, zielt werden. Die Grenzkurven für β = 0,18 und I_m allgemeinen tritt maximale Absorption auf,

Θ =18 sind in Fig. 3 durch B und C dargestellt. Die wenn die akustische Massenreaktanz der Löcher klein für diese Kurven geltenden Gleichungen lauten: ist, etwa bei verhältnismäßig kleinen oder bei sehr

zahlreichen Löchern oder bei Verwendung einer

41og₁₀r=— 6,20 — log₁₀ nid (3) 35 dünnen Platte, aber selbstverständlich immer inner-

und halb der durch die Gleichungen (1) bis (4) definierten

4 Iog₁₀r=4,20 - log₁₀ nid. (4) Grenzen.

Die stärkste Absorption tritt nach Fig. 4 im BeWenn in den Gleichungen (2), (3) und (4) die _reich von etwa 500 Hz auf. Wenn die akustische numerische Konstante durch den Buchstaben K aus- 40 Massenreaktanz des schallschluckenden Körpers gedrückt wird, hat K in dem in Fig. 3 schraffierten klein gehalten wird, so gilt jedoch für die Frequenz f Bereich Werte zwischen —6,20 und —4,20. mit der stärksten Absorption etwa die Beziehung:

Die gute Übereinstimmung zwischen der theoretischen Analyse und dem Versuchsergebnis ist in i?f)00

Fig. 4 an Hand der Absorptionskennlinie einer starren, 45 f_moa,- = Hz , (5)

gelochten und durchscheinenden Vinylkunststoffplatte L

mit den Werten d = 0,254 mm, r = 0,076 mm, η = 35

und R = 95 [dyn · see · cm-³], die etwa 20 cm unter wobei L die Tiefe des Luftraumes hinter dem Körper einer festen Decke angebracht ist, veranschaulicht. in Zentimetern ist. Die Frequenz dieser Absorptions-Der Schallabsorptionskoeffizient dieser Platte ist auf 50 spitze kann durch Erhöhung der akustischen Massender Ordinate in Fig. 4 als Funktion der auf der Ab- reaktanz der Löcher nach unten verschoben werden, szisse aufgetragenen Frequenz der Schallenergie in jedoch kann eine Verkleinerung der Spitzenfrequenz Hz wiedergegeben. Die gestrichelte Kurve III stellt nur auf Kosten des Absorptionsgrades, besonders für den theoretisch berechneten Absorptionskoeffizienten die von der Spitzenfrequenz entfernten Frequenzen, und die ausgezogene Kurve IV die tatsächlichen 55 erzielt werden. Da außerdem die Massenreaktanz mit Messungen der Schallabsorption dar. Es zeigt sich, wachsender Frequenz größer wird, kann eine Platte, daß ein hoher Absorptionsgrad in dem wichtigsten die in Verbindung mit einem tiefen Luftraum für die und verhältnismäßig breiten Bereich der niedrigen, Absorption tieferer Frequenzen geeignet ist, nicht in mittleren und der höheren Schallfrequenzen, die im Verbindung mit einem flachen Luftraum als guter allgemeinen in Räumen auftreten, erreicht wird. Der 60 Absorptionskörper für höhere Frequenzen arbeiten. Absorptionskoeffizient liegt ungefähr zwischen 0,55 Die Erfindung ist nicht nur bei einer Unterdecke

und 0,85 für Frequenzen von etwa 200 bis 2000 Hz. für ein Zimmer oder einen anderen Raum anwendbar, Für sehr hohe Frequenzen, sogar bis zu 9000 Hz, ist sondern kann selbstverständlich auch in jeder anderen noch eine ziemlich starke Schallschluckwirkung vor- Weise verwendet werden, wo ihre akustische Abhanden, während die Absorption für tiefe Frequenzen 65 Sorptionswirkung ausgenutzt werden soll, beispielsstark abfällt und unterhalb von etwa 100 Hz nur noch weise bei Wänden, Fußböden oder beliebigen anderen geringfügig ist. Flächen, sogar bei Lampenschirmen oder Beleuch-

Die Kurven I und II in Fig. 4 veranschaulichen das tungskörpern. Der absorbierende Körper gemäß der Verhalten einer nicht perforierten und einer normal Erfindung muß auch nicht unbedingt Plattenform perforierten Platte (mit Perforationen von 3 mm 70 haben. Er.kann in jeder gewünschten Gestalt her-

gestellt werden oder nach seiner Herstellung in eine gewünschte Form gebracht werden. Die Löcher können schon bei der Herstellung des Körpers angebracht oder später mit Nadeln od. dgl. gestanzt werden. Wenn es auch zweckmäßig ist, alle Löcher gleichartig auszubilden und gleichmäßig über den Körper zu verteilen, können in der Praxis Abweichungen zugelassen werden, wobei dann die Werte der verschiedenen Größen der Gleichungen (1) bis (4) Durchschnittswerte sein können.

Da der schallschluckende Körper Löcher aufweist, ist die Erfindung dort besonders zweckmäßig, wo eine Luftverteilung stattfinden soll, wie etwa in Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlagen. Die Anwendung der Erfindung in solchen Anlagen bringt neben der Lichtdurchlässigkeit und der Schallabsorption eine zugfreie Ventilation, und zwar ohne unschöne Verteiler oder sonstige Apparate, die die Decke oder andere Flächen verunstalten. Wenn der Raum, in dem die Erfindung zur Anwendung kommen soll, für Arbeiten benutzt wird, bei denen Fremdteilchen erzeugt werden, die die Löcher verstopfen könnten, so kann zur Verhütung dessen ein stetiger Luftstrom durch die Löcher geleitet werden.

Die Erfindung ist wegen ihrer Schallabsorptionswirkung auch dann zweckmäßig, wenn Lichtdurchlässigkeit nicht erforderlich ist. Der schallabsorbierende Körper kann also gegebenenfalls lichtundurchlässig sein. Er kann auch durch Verweben von Faden, etwa aus Kunststoff, nach Art eines Textilstofres hergestellt werden. Diese Fäden können je nach Wunsch durchscheinend oder nicht durchscheinend sein. Sie können leicht durch Tränken von Glasfasern mit Kunststoff, beispielsweise mit Polyesterkunstharz, hergestellt werden. Die Löcher im Schallschluckkörper würden in diesem Falle durch die Zwischenräume zwischen den Fäden gebildet werden.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schallabsorbierender, vorzugsweise plattenförmiger Körper, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallabsorption Löcher dienen und daß zwischen der Anzahl η der Löcher je Quadratzentimeter seiner Oberfläche, dem Halbmesser r der einzelnen Löcher in Millimetern und der Dicke d des Körpers in Millimetern folgende Beziehung besteht:

4 log r = k — log nid,

wobei k eine Konstante mit einem Wert von ungefähr -6,20 bis —4,20 ist.

2. Schallabsorbierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß k ungefähr — 5,20 ist.

3. Schallabsorbierender Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher etwa kreisförmig sind.

4. Schallabsorbierender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Löcher zwischen 0,05 und 1 mm liegt.

5. Schallabsorbierende Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen so großen mechanischen Widerstand hat, daß sie, mit Abstand von einer Decke, einer Wand od. dgl. angebracht, bei Auftreffen bestimmter akustischer Frequenzen schwingt.

6. Schallabsorbierender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus lichtdurchlässigem Material besteht.

7. Schallabsorbierender Körper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Kunststoff, beispielsweise Styrol, Polystyrol, Polyester-Kunstharz oder Polyvinylkunststoff, besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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