DE2920278A1

DE2920278A1 - Verfahren und einrichtung zur schalldaempfung in insbesondere gasfoermigen ausbreitungsmedien

Info

Publication number: DE2920278A1
Application number: DE19792920278
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: MEIER MESSTECHNIK; Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: MEIER MESSTECHNIK; Howden Turbo GmbH
Priority date: 1979-05-18
Filing date: 1979-05-18
Publication date: 1981-01-29
Also published as: US4362223A; DE2920278C2

Description

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VIERING & JENTSCHURA .2920278

zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt Dipl.-Ing. Hans-Martin Viering · Dipl.-Ing. Rolf Jentschura · Steinsdorfstraße 6 · D-8000 München

Anwaltsakte 3533

Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Kausch, 6710 Frankenthal, Pfalz

und Meier-Meßtechnik, Am Menzelberg 6, Göttingen

Verfahren und Einrichtung zur Schalldämpfung in insbesondere gasförmigen Ausbreitungsmedien

i/w 030065/0013

Steinsdortstraße 6 Telex: 5 212 306 jepa d Postscheck München 3067 26-801 D-BOOO Mönchen 22 Telegramm: Stelnpat München Bayerische Vereinsbank München 567 Teleton:(0 89}29 3413 Telekopierer: (0 89) 222 066 Railtelsonbank München 03218

(0 89) 29 3414 (Siemens CCITT Norm Gruppe 2) Deutsche Bank München 2 711

ORIGINAL INSPECTED

PATENTANWÄLTE

zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

Dipl.-Ing. Hans-Martin Viering · Dip!.-Ing. Rolf Jentschura ■ Steinsdorfstraße 6 · D-8000 München Anwaltsakte 3533

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schalldämpfung eines sich in einem flüssigen oder insbesondere gasförmigen Ausbreitungsmedium fortpflanzenden Schallfeldes, in welchem sich mit geringerer Gruppengeschwindigkeit als der Schallgeschwindigkeit des Ausbreitungsmediums fortpflanzende Schwingungsmoden vorhanden sind, sowie auf eine Schalldämpfungseinrichtung zur Dämpfung eines sich in einem flüssigen oder insbesondere gasförmigen Ausbreitungsmedium in einem am Querschnittsumriß geschlossenen Kanal fortpflanzenden Schallfeldes.

Zur Schalldämpfung eines sich in einem flüssigen oder einem gasförmigen Medium fortpflanzenden Schallfeldes ist eine Mehrfachanordnung von Helmholtz-Resonatoren (Kulissenschalldämpfer) möglich, die beispielsweise an Löcher in der Wand eines das Schallausbreitungsmedium führenden Kanals anschließen und zusätzlich mit einem akustischen Dämpfungsmaterial ausgestattet sein können. Mit derartigen Helmholtz-Resonatoren lassen sich im praktischen Fall jedoch nur verhältnismäßig schmalbandige Frequenzspektren des Schallfeldes wirksam dämpfen und außerdem führt ihre Anwendung zu verhältnismäßig großen erforderlichen Abmessungen der Dämpfungsstruktur.

Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Einrichtung geschaffen, durch welche sich verhältnismäßg breitbandige Frequenzspektren eines sich in einem flüssigen oder insbesondere gasförmigen Ausbreitungsmedium fortpflanzenden Schallfeldes wirksam dämpfen lassen.

Die Erfindung geht davon aus, daß es zur möglichst breitbandigen Dämpfung eines Schallfeldes in einem Ausbreitungsmed.ium, in welchem eine sogenannte Modenausbreitung statt-

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Stßinsdorlstrnße β Tolex: 5 212 306 jBpa d Postscheck München 3067 26-801

D-80OO München 22 Telegramm: Sloinpa! München Bayerische Vereinsbank München 567 695 — 6 —

Tololon: (0 89) 29 34 13 Telekopierer: (0 89) 222 066 Raiffeisenbank München 03218 18

(0 89) 29 M 14 (Siemens CCITT Norm Gruppe 2) Deutsche Bank München 2 711 687

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findet, nicht nur die Grundschwingungen des Schallfeldes, sondern auch die von diesen abweichenden Schwingungsmoden höherer Ordnung gedämpft werden müssen. Bei einer Modenausbreitung liegen im Ausbreitungsfeld mehrere Schwingungstypen (Schwingungsmoden) mit unterschiedlicher Frequenz und Gruppengeschwindigkeit vor. Eine solche Modenausbreitung findet insbesondere bei gasförmigen oder dampfförmigen Ausbreitungsmedien wegen der dort geringen Schallgeschwindigkeiten statt. Gasförmige oder dampfförmige Ausbreitungsmedien stellen daher das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung dar. Eine Modenausbreitung findet aber auch in flüssigen Schallausbreitungsmedien statt, so daß die Erfindung auch dort mit Erfolg angewendet werden kann.

Zur Theorie der Modenausbreitung in einem Schallfeld kann auf die Analogie der Wellenausbreitung elektromagnetischer Wellen verwiesen werden. Eine solche Modenausbreitung findet insbesondere in am Querschnittsumriß geschlossenen Kanälen analog zur Wellenausbreitung elektromagnetischer Wellen in Hohlleitern statt. Die Erfindung ist daher insbesondere geeignet zur Schalldämpfung in am Querschnittsumriß geschlossenen Kanälen, welche ein flüssiges oder insbesondere gasförmiges Ausbreitungsmedium, z.B. Luft, enthalten. Die Erfindung ist wirksam sowohl zur Schalldämpfung in einem ruhenden Ausbreitungsmedium wie auch in einem strömenden Ausbreitungsmedium.

Die Grundlösung gemäß der Erfindung besteht darin, das Schallfeld über einen Abschnitt seiner Ausbreitungsstrecke hin akustisch in mehrere parallel zu seiner Fortpflanzungsrichtung verlaufende Schallkanäle endlicher Länge aufzuteilen, deren Querschnitt über ihre Länge hin vorzugsweise jeweils konstant ist. Dadurch werden analog zu der Wellen-

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ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Hohlleitern diejenigen Schwingungsmoden des Schallfeldes, deren halbe Wellenlänge größer als die jeweils größte Querschnittsweite der Schallkanäle ist, an ihrer Portpflanzung durch die Schallkanäle hindurch gehindert. Mit anderen Worten wird aus den Schwingungsmoden des Schallfeldes ein bestimmter Teil herausgefiltert, so daß hierdurch bereits eine entsprechende Bedämpfung der Schallausbreitung des Schallfeldes auftritt.

Eine solche "Modenblockung" kann man auch zur Klangfiltrierung oder zur Klangentzerrung anwenden. Beispielsweise können in einem Sprachrohr, wenn es in seiner Querschnittsabmessung überdimensioniert ist, Schallschwingungsmoden größerer Wellenlänge entstehen, so daß dadurch eine Verzerrung des Klangs am hörseitigen Ende des Rohres auftritt. Durch Anordnung eines erfindungsgemäßen "Modenblockers" kann bei entsprechender Dimensionierung der Schallkanäle eine solche Klangverzerrung rückgängig gemacht werden.

Außerdem werden durch die Aufteilung des Schallfeldes in mehrere zu dessen Fortpflanzungsrichtung parallel verlaufende Schallkanäle analog zu der Wellenausbreitung elektromagnetischer Wellen in Hohlleitern auch höhere Schwingungsmoden des Schallfeldes, die unterhalb einer von der charakteristischen Abmessung der Schallkanäle und der akustischen Impedanz ihrer Begrenzungsflächen bestimmten Grenzfrequenz liegen, bedämpft. Die Länge der Schallkanäle ist dabei endlich. Sie entspricht vorzugsweise wenigstens einer viertel Wellenlänge derjenigen Schallschwingung mit der tiefsten Grundfrequenz im Schallfeld, die bedämpft werden soll.

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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden einander benachbarte Schallkanäle mit für die Schwingungszustände in ihnen unterschiedlichen charakteristischen Abmessungen ausgestattet. Dies führt zu Interferenzen der aus ihrem Austrittsende austretenden Schwingungen, wodurch sich eine weitere Dämpfung analog zu dem bekannten Interferenzrohr nach Quincke ergibt.

Außerdem aber entstehen durch die unterschiedlichen Schwingungszustände entlang den benachbarten Schallkanälen zwischen normal zu ihrer Längsrichtung nebeneinander liegenden Stellen in ihnen örtliche Schalldruckdifferenzen. Dies wird gemäß der Erfindung ausgenutzt, um über die Gesamtlänge und wenigstens eine Teillänge der einander benachbarten Schallkanäle hin eine zusätzliche Dämpfung zu erzielen, indem diese Schallkanäle entlang ihrer Gesamtlänge oder wenigstens dieser Teillänge voneinander durch ihnen gemeinsame Begrenzungswände getrennt werden, die eine örtliche Schalldurckübertragung aus dem einen in den anderen Schallkanal zulassen, so daß sich die Schalldruckdifferenzen zwischen ihnen örtlich wenigstens teilweise ausgleichen können.

Diese örtliche Schalldruckübertragung kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, daß diese Begrenzungswände zwischen einander benachbarten Kanälen membranartig gestaltet sind, die unter den örtlichen Schalldruckdifferenzen entsprechend örtlich ausgelenkt werden. Bevorzugt werden jedoch solche Begrenzungswände für das Ausbreitungsmedium durchlässig gestaltet, so daß dieses aufgrund der örtlichen Schalldruckdifferenzen aus dem einen Schallkanal durch die Begrenzungswand in den benachbarten Schallkanal überströmen kann.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird dafür gesorgt, daß die örtliche Schalldruckübertragung aus

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dem einen Schallkanal in den benachbarten Schallkanal stark verlustbehaftet erfolgt, so daß dadurch ein entsprechender Teil der Geschwindigkeitsenergie des in den Schallkanälen schwingenden Ausbreitungsmediums absorbiert wird und deshalb eine zusätzliche Dämpfung der Schal!schwingungen in den Schallkanälen erreicht wird. Es wird angenommen, daß besonders diese Art der Schwingungsbedämpfung die Ursache für die durch die Erfindung erzielbaren hohen Dämpfungseffekte über ein breitbandiges FrequenzSpektrum des Schallfeldes hin sind. In einem Vergleichsversuch konnten im einfachsten Fall bereits Dämpfungswerte von 6 dB über einen Frequenzbereich von 1 bis 10 kHz erzielt werden.

Durch die verlustbehaftete örtliche Druckübertragung aus dem einen in den anderen Schallkanal werden nicht nur die sich in ihrer Längsrichtung ausbreiteten Grundmoden dissipativ bedämpft, sondern auch die höheren, sich mit geringerer Gruppengeschwindigkeit als der Schallgeschwindigkeit in ihnen ausbreitenden Schwingungstypen des Ausbreitungsfeldes im Schallkanal gedämpft, weil solche höheren Moden im allgemeinen eine normal zur Begrenzungswand zwischen den benachbarten Kanälen verlaufende Komponente der Schallschnelle haben und diese Komponente daher durch die verlustbehaftete Druckübertragung gedämpft wird.

Wenn die örtliche Druckübertragung aus dem einen Schallkanal in den benachbarten Schallkanal aufgrund einer druckweichen, für das Ausbreitungsmedium jedoch nicht durchlässigen Zwischenwand zwischen den Kanälen erfolgt, die sich unter den örtlichen Druckdifferenzen örtlich auslenkt, kann die Bedämpfung der örtlichen Druckübertragung durch einen entsprechenden Verformungswiderstand der Zwischenwand erreicht werden. Bevorzugt wird jedoch, die Zwischenwand für das Ausbreitungsmedium durchlässig zu gestalten und diese Be-

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dämpfung durch Reibungsverluste beim Durchtritt des Ausbreitungsmediums durch die Zwischenwand herbeizuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur wirksamen und breitbandigen Schalldämpfung des sich in einem Kanal in dem darin enthaltenen flüssigen oder insbesondere gasförmigen Ausbreitungsmedium in Längsrichtung des Kanals ausbreitenden Schallfeldes. Zu diesem Zweck ist eine bevorzugte, das erfindungsgemäße Verfahren verwirklichende Schalldämfungseinrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanal mindestens ein Gitterkörper angeordnet ist, der den freien Kanalquerschnitt über einen Kanalabschnitt begrenzter Länge hin in Art eines Strömungsgleichrichters in eine Mehrzahl von beidendig offenen, in Richtung quer zur Kanalrichtung nebeneinander und parallel zu dieser angeordneten Teilkanälen größerer Länge als Weite unterteilt, daß wenigstens ein Teil von jeweils einander benachbarten Teilkanälen unterschiedliche, für den Schallschwingungszustand über ihre Länge hin charakteristische Abmessungen hat, so daß in solchen benachbarten Teilkanälen über deren Längen hin örtliche Schalldruckdifferenzen erzeugt werden, und daß zwischen solchen benachbarten Teilkanälen unterschiedlicher charakteristischer Abmessung eine wenigstens über eine Teillänge hin zur örtlichen wechselseitigen Schalldruckübertragung jeweils aus dem einen Teilkanal in den anderen Teilkanal gestaltete Zwischenwand verläuft.

Dieser Gitterkörper und die durch ihn gebildeten Teilkanäle sind nach den oben zum erfindungsgemäßen Verfahren angegebenen Prinzipien ausgelegt. Der Gitterkörper hat daher eine begrenzte Länge, die mindestens einer viertel Wellenlänge der sich in dem Kanal fortpflanzenden zu dämpfenden Grund-

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schwingung entsprechen soll. Die Zwischenwände zwischen einander benachbarten Teilkanälen werden durch die Gitterwände gebildet. Wenngleich es möglich ist, alle einem bestimmten Teilkanal benachbarten Teilkanäle mit für den Schallschwingungszustand über ihre Länge hin jeweils unterschiedlichen charakteristischen Abmessungen auszustatten, ist es auch möglich, jeden Teilkanal in seiner charakteristischen Abmessung von wenigstens einem ihm benachbarten Teilkanal verschieden zu gestalten, um die örtlichen Schalldruckdifferenzen zwischen ihnen zu erzeugen. Entsprechend ist es möglich, nur die Zwischenwand zwischen diesen beiden Teilkanälen vollständig oder über einen Teilabschnitt hin so zu gestalten, daß eine örtliche wechselseitige Schalldruckübertragung aufgrund der örtlichen Druckunterschiede erfolgt, während die Zwischenwände zu anderen benachbarten Teilkanälen schallhart gestaltet sind.

Wie oben zu dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits angeführt, kann diese, die örtliche Schalldruckübertragung zulassende Zwischenwand als für das Ausbreitungsmedium undurchlässige Membranwand gestaltet sein, besteht jedoch vorzugsweise aus einem für das Ausbreitungsmedium durchlässigen Material.

Dies kann beispielsweise ein Lochmaterial oder in sonstiger Weise poröses Material sein. Die freie Lochfläche bzw. Porenfläche pro Flächeneinheit der Zwischenwand liegt dabei vorzugsweise im Bereich bis 0,1. Wenngleich es gegenwärtig bevorzugt wird, die durchlässige Zwischenwand über ihre gesamte Fläche hin im wesentlichen gleichmäßig durchlässig zu gestalten, ist es zur Anpassung an spezielle Schwingungszustände in den Teilkanälen zur Erzielung spezieller Dämpfungscharakteristika auch möglich, durchlässige Wandabschnitte mit un-

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durchlässigen Wandabschnitten oder solchen mit unterschied-licher Durchlässigkeit abzuwechseln.

Auch durch die Wahl der Querschnittsform der Teilkanäle läßt sich eine Anpassung an die sich im Kanal fortpflanzenden Schwingungstypen des Schallfeldes und/oder diejenigen Schwingungstypen, die in den Teilkanälen vorliegen sollen, zur Steigerung der Dämpfungswirkung oder Verlagerung oder Ausbreitung des Dämpfungsspektrums erreichen. Die Teilkanäle können daher einen runden Querschnitt oder einen eckigen Querschnitt haben, wobei letzterer gegenwärtig bevorzugt wird. Die jeweilige spezielle Querschnittsform richtet sich i.a. nach dem Querschnitt des Hauptkanals zur Erzielung eines möglichst einfach gestalteten Gitterkörpers. Wenn der Kanalquerschnitt rechteckig ist, kann der Querschnitt der Teilkanäle ebenfalls rechteckig sein. Ist der Kanalquerschnitt hingegen kreisrund, erscheint es vorteilhaft, den Gitterkörper aus radialen Zwischenwänden zu gestalten, so daß der Querschnitt der Teilkanäle entsprechend kreissegmentförmig ist. Gegebenenfalls können solche Teilkanäle mittels i.a. konzentrisch zur Kanalachse verlaufenden Rohren weiter unterteilt werden.

Jeder für das Ausbreitungsmedium durchlässige Teil der Zwischenwand enthält vorzugsweise ein Schalldämpfungsmaterial, in welchem die Geschwindigkeit des Ausbreitungsmediums bei seinem Durchtritt durch das Material durch Reibung gedämpft wird. Hierbei kann die Zwischenwand über die Gesamtdicke ihrer durchlässigen Abschnitte hin aus dem Schalldämpfungsmaterial bestehen. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, die Zwischenwand mehrschichtig derart zu gestalten, daß zwischen äußeren perforierten, im übrigen verhältnismäßig steifen Deckschichten eine Zwischenschicht aus dem Schalldämpfungsmaterial eingeschlossen ist. Geeignete Schalldämpfungsmaterialien sind insbesondere Filzmaterialien oder Sintermaterialien und dergleichen.

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Als für einander benachbarte Teilkanäle unterschiedliche charakteristische Abmessung zur Erzielung über ihre Länge hin unterschiedlicher Schwingungszustände in ihnen können unterschiedlich große Querschnittsweiten, Querschnittsflächen und/oder akustische Wandimpedanzen angewendet werden. Auch entsprechend unterschiedliche Querschnittsformen sind möglich. Bevorzugt ist die unterschiedliche charakteristische Abmessung benachbarter Teilkanäle deren Länge, so daß die in ihnen aufgrund der Impedanzsprünge an ihren beiden offenen Enden entstehenden stehenden Wellen entsprechend unterschiedliche Wellenlängen haben, so daß entsprechend die Druckverteilung über die Länge des einen Teilkanales hin unterschiedlich zu der über die Länge des anderen Teilkanales hin ist und dadurch die örtlichen Druckdifferenzen zwischen ihnen auftreten. Hierbei ist somit der Gitterkörper an wenigstens einer seiner Stirnseiten, an denen die Teilkanäle enden, so gestaltet, daß die Mündungen einander benachbarter Kanäle dort in axialem Abstand voneinander (gemessen parallel zur Kanalrichtung) angeordnet sind. Eine solche Stirnseite des Gitterkörpers kann aus mehreren normal zur Kanalrichtung verlaufenden, axial gegeneinander versetzten ümrißflächenabschnitten gestaltet sein. Es ist jedoch auch möglich, diese Stirnseite kegelmantelförmig oder pyramidenmantelförmig oder in anderer Geometrie schräg zur Kanalrichtung angestellt auszubilden. Bevorzugt verläuft sie in einer Ebene, die schräg zur Kanalrichtung angestellt ist. Insbesondere bei großen Verhältnissen zwischen dem Kanalquerschnitt und der Wellenlänge der zu dämpfenden Wellen kann es zweckmäßig sein, diese Stirnseite aus in der Seitenansicht etwa zickzackförmig verlaufenden Flächenabschnitten zu gestalten, die jeweils schräg zur Kanalrichtung angestellt sind und sich jeweils über die Mündungen mehrerer einander benachbarter Teilkanäle hin erstrecken.

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Gegebenenfalls lassen sich die Druckunterschiede in einander benachbarten Teilkanälen auch dadurch erreichen, daß diese bei gleichen Abmessungen gegenseitig axial versetzt sind und daher die Schwingungszustände in ihnen entsprechend gegeneinander phasenverschoben sind.

Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Schalldämpfungseinrichtung hat sich in Versuchen in einem Gebläsekanal mit und ohne Strömung des Ausbreitungsmediums erwiesen. Wenn die erfindungsgemäße Schalldämpfungseinrichtung in Kanälen eingesetzt wird, die ein strömendes Ausbreitungsmedium führen und einen Krümmer enthalten, ist ein erfindungsgemäßer Gitter- . körper vorzugsweise in diesem Krümmer angeordnet, weil er dadurch gleichzeitig zur widerstandsarmen StrÖmungsumlenkung ausgenutzt werden kann. Dieser Gitterkörper verläuft dann mit seinen Teilkanälen entsprechend der Krümmung des Krümmers gekrümmt, d.i. sie verlaufen im einfachsten Fall konzentrisch zueinander und zu dem Kanalkrümmer. Aber auch die aerodynamisch optimierten Umlenkungsgitter lassen sich anwenden. Entsprechend lassen sich erfindungsgemäße Gitterkörper zusätzlich hervorragend auch an sonstigen Querschnittsveränderungen des Kanals, z.B. am Ein- und Austritt von Querschnittsverengungen oder dergleichen zur widerstandsarmen StrÖmungsumlenkung ausnutzen.

Für die Anwendung in einem nicht strömenden Ausbreitungsmediuin können die Begrenzungsflächen der Teilkanäle rauh sein, so daß sich entsprechend zusätzliche Reibungsverluste zur Dämpfung der sich in ihnen ausbreitenden Schallschwingungen ergeben. Wenn hingegen der erfindungsgemäße Gitterkörper in einem strömenden Medium eingesetzt wird, sind die Teilkanäle in ihrem Verlauf und ihre Begrenzungsflächen der Teilkanäle vorzugsweise möglichst aerodynamisch optimiert, damit sich

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insgesamt geringe Strömungsverluste ergeben sowie auch die am Gitterkörper entstehenden Strömungsgeräusche möglichst gering sind.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere erfindungsgemäße Gitterkörper in Kanalrichtung im gegenseitigen Abstand voneinander angeordnet, wobei diese Gitterkörper identisch oder voneinander verschieden gestaltet sein können. In Versuchen hat sich gezeigt, daß sich die erzielbaren Dämpfungswerte bei einer Mehrfachanordnung erfindungsgemäß gestalteter Gitterkörper im wesentlichen additiv verhalten, d.i. die mit jedem einzelnen Gitterkörper erzielbaren Dämpfungswerte in dB addieren sich bei ihrer Hintereinanderschaltung längs des Kanals, und zwar im wesentlichen unabhängig' von den jeweiligen Abständen zwischen ihnen, solange diese nur die Größenordnung eines einzelnen Gitterkörpers nicht unterschreiten. Dieses additive Verhalten mehrerer im Abstand voneinander angeordneter Gitterkörper bedeutet eine entsprechende Vervielfachung der Lautstärkeminderung. Im übrigen zeigt dieses additive Verhalten auch, daß nicht nur die höheren Schwingungstypen des sich im Kanal fortpflanzenden Schallfeldes, sondern auch dessen Grundschwingung im Wirkungsbereich des Gitterkörpers gedämpft wird.

Wenn die Abstände zwischen hintereinandergeschalteten Gitterkörpern in der Größenordnung von dem ein- bis fünffachen der Länge eines Gitterkörpers betragen, können für die aufeinanderfolgenden Gitterkörper Resonanzkoppelungen entstehen, durch welche die Interferenzsituation im freien Raum zwischen den Gitterkörpern und dadurch auch das erzielte Dämpfungsspektrum beeinflußt wird. Wenn erfindungsgemäße Gitterkörper verwendet werden, deren eine Stirnfläche schräg zur Kanalrichtung verläuft, während die andere normal zur Kanalrichtung sich erstreckt, werden im allgemeinen höhere Dämpfungs-

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werte erreicht, wenn von den einander zugewendeten Stirnflächen der Gitterkörper wenigstens eine schräg zur Kanalrichtung verläuft. Es läßt sich somit die erzielbare Dämpfung durch Wahl der Längsschnittsform des zwischen den aufeinanderfolgenden Gitterkörpern gebildeten Resonanzraumes verändern. Wenn die sich aufgrund der akustischen Impedanzsprünge an den einander zugewendeten Stirnflächen der Gitterkörper im Raum zwischen ihnen bildenden stehenden" Wellen unterschiedliche Wellenlängen haben, können ihre zur Dämpf ving beitragenden gegenseitigen Interferenzen sich verstärken. Bevorzugt werden daher die Gitterkörper derart im Kanal hintereinander angeordnet, daß die Längsabmessungen des Raumes zwischen ihnen sich in Richtung normal zur Kanallängsrichtung verändern. Es wird daher vorgezogen, daß von den einander zugewendeten Stirnflächen der Gitterkörper nur eine schräg zur Kanalrichtung verläuft, während die andere vorzugsweise normal zur Kanalrichtung verläuft.

Im übrigen kann man durch die Auswahl des mittleren freien Abstandes zwischen den Gitterkörpern insbesondere auch den Dämpfungsbereich für das Frequenzspektrum des sich fortpflanzenden Schallfeldes zu anderen Frequenzen hin verlagern und insbesondere auch verbreitern.' Es hat sich gezeigt, daß vor allem auch im unteren Bereich des Frequenzspektrums des Schallfeldes liegende Schallschwingungen, die im allgemeinen nicht ohne größen Aufwand gedämpft werden können, gemäß der Erfindung gedämpft werden, wenn der freie Abstand zwischen den Gitterkörpern größenordnungsmäßig einer viertel oder halben Wellenlänge einer solchen Schallschwingung im unteren Bereich des Frequenzspektrums des Schallfeldes entspricht. Das Dämpfungsoptimum für einen speziellen Anwendungsfall kann man durch verhältnismäßig einfache Ver-

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suche herausfinden, in denen der freie Abstand zwischen einander folgenden Gitterkörpern bis zum Auftreten des Optmums verändert wird.

Zusammenfassend wird somit durch die Erfindung eine verhältnismäßig breitbandige Dämpfung mit vergleichsweise einfachen Mitteln und geringem Bauaufwand erreicht. Die Erfindung läßt sich zur Schalldämpfung in einem ruhenden Ausbreitungsmedium wie insbesondere auch in einem strömenden Ausbreitungsmedium, z.B. in einem Gebläsekanal, einsetzen. Für strömende Ausbreitungsmedien wird der zusätzliche Vorteil erzielt, daß ein erfindungsgemäßer Gitterkörper auch zur widerstandsarmen Strömungsumlenkung und Turbulenzminderung und Ausbildung bestimmter Strömungsprofile eingesetzt werden kann. Im übrigen können erfindungsgemäße Gitterkörper auch zur örtlichen mechanischen Versteifung einer Kanalstruktur beitragen.

Die Erfindung wird anhand von beispielhaften Ausführungsformen, die schematisch aus der Zeichnung ersichtlich sind, sowie eines Beispiels erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Kanalabschnitt mit einem in diesen eingesetzten Gitterkörper aus Filzmaterial,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Gitterkörpers aus Fig. 1 und

Fig. 3 einen Längsschnitt eines einen Krümmer enthaltenden Kanalabschnittes mit mehreren in diesen eingesetzten Gitterkörpern.

Der Gitterkörper 2 aus den Fig. 1 und 2 besteht aus einander senkrecht kreuzenden Filzplatten, durch welche der freie

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Querschnitt des Kanals 1 in insgesamt 9 Teilkanäle 3 untereinander gleichen Querschnitts aufgeteilt wird, wobei jeweils drei Teilkanäle 3 in einer Reihe übereinander bzw. nebeneinander parallel zur Längsrichtung des Kanals 1 verlaufen. Von den den Gitterkörper 2 aufbauenden Filzplatten werden die Zwischenwände 4 gebildet, durch welche die einander benachbarten Teilkanäle 3 voneinander getrennt werden. Der Gesamtguerschnitt des Gitterkörpers 2 ist wie der freie Querschnitt des betrachteten Kanals 1 rechteckig. Im Längsschnitt hat der Gitterkörper 2 Trapezform, wobei die parallelen Trapezseiten parallel zur Richtung des Kanals 1 verlaufen, eine schräg zur Kanalrichtung verlaufende Trapezseite in der Ebene der einen somit ebenfalls schräg zur Kanalrichtung verlaufenden Stirnfläche 5 des Gitterkörpers 2 liegt und die vierte Trapezseite normal zur Längsrichtung des Kanals 1 verläuft und in der Ebene der anderen Stirnfläche 6 des Gitterkörpers 2 liegt.

Die in Kanallängsrxchtung gemessene mittlere Länge des Gitterkörpers 2 liegt mindestens und vorzugsweise im Bereich einer viertel Wellenlänge der Grundwelle des sich in dem Ausbreitungsmedium, welches in dem Kanal 1 enthalten ist, fortpflanzenden Schallfeldes. Bekanntlich gibt es für die Ausbreitung von Schallwellen in einem Kanal eine Grenzfrequenz, die vom Kanalquerschnitt und dessen akustischen Wandimpedanz abhängig ist und unterhalb welcher eine Dämpfung der Schwingungszustände des sich fortpflanzenden Schallfeldes auftritt. Entsprechend ist auch für die von dem Gitterkörper 2 gebildeten Teilkanäle 3 eine solche Grenzfrequenz vorhanden, so daß durch die Unterteilung des Kanalquerschnittes in mehrere Teilkanäle eine Bedämpfung derjenigen Schwingungstypen erreicht wird, deren Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz des Kanals 1 und unterhalb der Grenzfrequenz der Teilkanäle 3 liegt.

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Durch die oben beschriebene Gestaltung des Längsschnittes des Gitterkörpers 2 haben übereinander verlaufende, einander benachbarte Teilkanäle 3 unterschiedliche Längen, die für den Schwingungszustand in den Teilkanälen 3 charakteristisch sind. Durch die Impedanzsprünge an den offenen Enden der Teilkanäle 3 entstehen in diesen stehende Grundwellen mit entsprechend den unterschiedlichen Längen der Teilkanäle 3 unterschiedlicher Wellenlänge. Diesen Grundwellen sind Schwingungstypen (Moden) höherer Frequenzen überlagert, wobei sich diese Schwingungstypen im allgemeinen mit kleinerer Gruppengeschwindigkext als der Schallgeschwindigkeit in Längsrichtung der Teilkanäle 3 ausbreiten.

Durch die aufgrund der unterschiedlichen Längen benachbarter Teilkanäle 3 unterschiedlichen Schwingungszuständen in den Teilkanälen 3 kommt es auf der Austrittsseite des Gitterkörpers 2 hinter diesem zu Schwingungsinterferenzen, durch welche ebenfalls eine Bedämpfung des sich fortpflanzenden Schallfeldes auftreten kann. Zusätzlich aber führen die unterschiedlichen Schwingungszustände in einander benachbarten Teilkanälen 3 zu örtlichen Schalldruckdifferenzen über die Länge der benachbarten Teilkanäle 3 unterschiedlicher Längen hin. Da die Zwischenwände 4 aus einem für das Ausbreitungsmedium im Kanal durchlässigen Filzmaterial bestehen, wird durch die örtlichen Druckdifferenzen das Ausbreitungsmedium örtlich durch die jeweilige Zwischenwand 4 gedrückt, so daß es aus dem einen Teilkanal in den anderen benachbarten Teilkanal überströmt. Dadurch werden die örtlichen Druckdifferenzen wenigstens teilweise ausgeglichen. Außerdem wird die Geschwindigkeit des überströmenden Ausbreitungsmediums in dem Dämpfungsmaterial der Zwischenwand 4 durch Reibung verringert, so daß ein Teil der Schwingungsenergie der sich in den Teilkanälen 3 fortpflanzenden Schallschwingungen in den Teilwänden 4 absorbiert wird. Dieser

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Dämpfungsvorgang aufgrund des Überströmens des Ausbreitungsmediums aus dem einen in den anderen Teilkanal wird für die sich in ihnen fortpflanzenden höheren Schwingungsmoden dadurch begünstigt, daß diese bei komplexer Wandimpedanz im allgemeinen eine wandnormale Komponente der Schallschnelle haben. Durch diese Absorption eines Teils der Geschwindigkeitsenergie der sich in den Teilkanälen 3 ausbreitenden Schwingungstypen ergibt sich eine zusätzliche starke Dämpfung über einen verhältnismäßig breiten Frequenzbereich hin.

Fig. 3 zeigt beispielgebend eine Mehrfachanordnung von Gitterkörpern 2 der zu den Fig. 1 und 2 beschriebenen Art in einem Kanal 1, welcher einen Krümmer 7 enthält. Ein in Anpassung an den Verlauf des Krümmers 7 im Längsschnitt als Winkelsegment ausgebildeter Gitterkörper 2 ist in dem Krümmer 7 angeordnet. Die Stirnflächen dieses Gitterkörpers 2 schneiden einander bei dieser Ausführungsform im Krümmungsmittelpunkt des Krümmers 7 und seine Teilkanäle 3 verlaufen konzentrisch zu diesem Krümmungsmittelpunkt. Dieser Gitterkörper 2 wirkt für ein im Kanal 1 strömendes Medium zusätzlich als Leiteinrichtung, durch welche der Strömungswiderstand des Krümmers 7 reduziert wird.

Vor und hinter dem Krümmer 7-sind im gezeigtem Ausführungsbeispiel zusätzliche Gitterkörper 2 im Abstand voneinander angeordnet. Durch eine solche Mehrfachanordnung von Gitterkörpern 2, die längs des Kanals 1 im Abstand voneinander verteilt angeordnet sind, läßt sich eine Summierung der Dämpfungswerte jedes einzelnen Gitterkörpers 2 erreichen.

Die beiden links in Fig. 3 im Abstand voneinander angeordneten Gitterkörper 2 entsprechen in ihrer Gestaltung dem aus den Fig. 1 und 2 und sind derart angeordnet, daß die schräge

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Stirnfläche 5 des einen Gitterkörpers der zur Kanalrichtung normalen Stirnfläche 6 des anderen Gitterkörpers zugewendet ist. Dadurch werden die zur Schalldämpfung beitragenden Interferenzerscheinungen im Raum zwischen diesen beiden Gitterkörpern 2 im allgemeinen verstärkt und auch Schwingungen im unteren Bereich des Frequenzspektrums des sich fortpflanzenden Schallfeldes merklich gedämpft, wenn der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Gitterkörpern 2 größenordnungsmäßig im Bereich einer viertel oder halben Wellenlänge dieser Schwingung geringer Frequenz liegt.

Für durchströmte Kanäle 1 können sich in Anwendungsfällen, bei denen Schall und Strömung die gleiche Ausbreitungsrichtung haben, oberhalb einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit Minderungen der Dämpfungswerte ergeben. Hingegen wird für solche Anwendungsfälle, bei denen die Fortpflanzungsrichtung von Schall und Strömung entgegengesetzt verlaufen, im Vergleich mit einem nicht durchströmten Kanal eine Verbesserung der Schalldämpfungswirkung im Bereich höherer Strömungsgeschwindigkeiten erwartet.

BEISPIEL

In einen Gebläsekanal rechteckigen Querschnitts mit Wänden aus Asbestzementmaterial und mit einem freien Querschnitt von 200 χ 140 mm wurde ein Gitterkörper aus Nylonfilzmaterial gemäß Fig. 1 eingesetzt, durch welche der Kanalquerschnitt in zwanzig querschnittsgleiche Teilkanäle unterteilt wurde, von denen je vier nebeneinander und je fünf übereinander verliefen. Der Gitterkörper war gemäß Fig. im Längsschnitt trapezförmig. Die kurze Grundseite des Trapezes hatte eine Länge von 150 mm, während die lange Grundseite eine Länge von 250 mm hatte. Die Dicke der Zwischenwände 4 betrug 3,5 mm.

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Dnter den Versuchsbedingungen konnten Dämpfungswerte von 6 dB über einen Frequenzbereich von 1 bis 10 kHz erreicht werden. Diese Dämpfungswerte lagen etwa doppel so hoch wie bei einem Vergleichsgitterkörper, der anstatt aus Filz aus einem Blech mit einer Wandstärke von 1 mm war.

Bei einer Mehrfachanordnung von Gitterkörpern 2 aus Filzmaterial, bei denen drei Gitterkörper 2 verwendet wurden, von denen einer in einem Kanalkrümmer 7 gemäß Fig. 3 angeordnet war und je einer der beiden anderen im Abstand vor und hinter dem Krümmer in den Kanal 1 eingesetzt war, konnte die Breite des gedämpften Frequenzbandes nach unten und oben auf einen Dämpfungsbereich von 400 Hz bis 20 KHz erweitert werden. Es wurden im Bereich von 7 kHz maximale Dämpfungswerte von bis zu 26 dB erzielt, gegenüber Dämpfungswerten mit Gitterkörpern aus Blech von typisch 6 bis 10 dB.

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Claims

NAC!Κ -Λ . -.· -.-ΠΓ PATcNTANVVÄITE ' : : VIERING & JENTSCHURA 292C278 zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt Dipl.-Ing. Hans-Martin Viering · Dipl.-Ing. Rolf Jentschura · Steinsdorfstraße 6 · D-8000 München Anwaltsakte 3533 ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Schalldämpfung eines sich in einem flüssigen oder insbesondere gasförmigen Ausbreitungsmedium fortpflanzenden Schallfeldes, in welchem sich mit geringerer Gruppengeschwindigkeit als der Schallgeschwindigkeit des Ausbreitungsmediums fortpflanzende Schwingungsmoden vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch akustische Aufteilung des Schallfeldes in mehrere parallel zu seiner Fortpflanzungsrichtung verlaufende Schallkanäle begrenzter Länge diejenigen Schwingungsmoden des Schallfeldes, deren halbe Wellenlänge größer als die größte Querschnittsweite der Schallkanäle ist, gegen ihre Ausbreitung durch die Schallkanäle hindurch blockiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch unterschiedliche, für die Schallschwingungszustände in den Schallkanälen charakteristische Abmessungen einander benachbarter Schallkanäle zwischen diesen über ihre Länge hin örtliche Schalldruckdifferenzen erzeugt werden, und daß diese wenigstens über einen Längenabschnitt der benachbarten Schallkanäle hin wenigstens teilweise örtlich gegenseitig ausgeglichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die örtlichen Schalldruckdifferenzen ein örtliches überströmen des Ausbreitungsmediums aus dem einen Schallkanal in den benachbarten Schallkanal herbeigeführt wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Örtliche Druckübertragung aus dem einen Schallkanal in den benachbarten anderen Schallkanal durch Verformungs- oder Reibungsverluste in der diese beiden Schallkanäle voneinander trennenden Zwischenwand bedämpft wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des überströmenden Ausbreitungsmediums durch Reibung gedämpft wird.

6. Schalldämpfungseinrichtung, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Dämpfung eines sich in einem flüssigen oder insbesondere gasförmigen Ausbreitungsmedium in einem am Querschnittsumriß geschlossenen Kanal fortpflanzenden Schallfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanal (1) mindestens ein Gitterkörper (2) angeordnet ist, der den freien Kanalquerschnitt über einen Kanalabschnitt begrenzter Länge hin in Art eines Strömungsgleichrichters in eine Mehrzahl von beidendig offenen, in Richtung quer zur Kanalrichtunq nebeneinander und parallel zu dieser angeordneten Teilkanälen (3) größerer Länge als Weite unterteilt , daß wenigstens ein Teil von jeweils einander benachbarten Teilkanälen (3) unterschiedliche, für den Schallschwingungszustand über ihre Länge hin charakteristische Abmessungen hat, so daß in solchen benachbarten Teilkanälen über deren Längen hin örtliche Schalldruckdifferenzen erzeugt werden, und daß zwischen solchen benachbarten Teilkanälen (3) unterschiedlicher charakteristischer Abmessung eine wenigstens über eine Teillänge hin zur örtlichen wechselseitigen Schalldruckübertragung jeweils aus dem einen Teilkanal in den anderen Teilkanal gestaltete Zwischenwand (4) verläuft.

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7. Schalldämpfungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einander benachbarte Teilkanäle (3) des Gitterkörpers (2) voneinander trennende Zwischenwand (4) wenigstens über eine Teillänge hin für das Ausbreitungsmedium durchlässig ist.

8. Schalldämpfungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durchlässige Teil der Zwischenwand (5) ein Schalldämpfungsmaterial·, wie Filz oder Sintermaterial, enthält.

9. Schalldämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche charakteristische Abmessung benachbarter Teilkanäle (3) deren Länge ist, diese somit unterschiedlich lang sind.

10. Schalldämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens und vorzugsweise eine (5) der beiden Stirnflächen (5, 6) des Gitterkörpers (2), an denen die Teilkanäle (3) enden, schräg zur Kanalrichtung verläuft.

11. Schalldämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterkörper

(2) in einem Krümmer (7) des Kanals (1) angeordnet ist.

12. Schalldämpfungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Kanalrichtung gesehen im Abstand von dem Gitterkörper (2) ein gleichartig wie dieser gestalteter zweiter Gitterkörper (2) im Kanal (1) angeordnet ist.

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13. Schalldämpfungseinrichtung nach den Ansprüchen 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß von den einander zugewendeten Stirnflächen (5, 6) der Gitterkörper (2) wenigstens und vorzugsweise eine (5) schräg zur Kanalrichtung verläuft.

14. Schalldärapfungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Abstand zwischen den Gitterkörpern (2) größenordnungsmäßig einer viertel oder halben Wellenlänge einer Schallschwingung im unteren Bereich des Frequenzspektrums des Schallfeldes entspricht.

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