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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Verbesserung der Schallabsorption,
das eine Deckenplatte aus einem porösen Isoliermaterial mit einem
ersten Luftströmungswiderstand
und ein Deckschichtmaterial mit einem zweiten Luftströmungswiderstand,
das an der Deckenplatte angebracht ist, umfasst. Die vorliegende
Erfindung ist folglich allgemein dem Gebiet der Schalldämmungs-Systeme und insbesondere
dem Gebiet der akustischen Parameter von Deckenverblendungs-Systemen
zuzurechnen.
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HINTERGRUNDINFORMATIONEN
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Bei
modernen Bauwerken wie etwa Wohn- oder Geschäftsgebäuden ist ein wichtiger Punkt,
den ein Architekt zu berücksichtigen
hat, die Angemessenheit der Schallabsorption in den Innenräumen. Schallabsorption
kann definiert werden als die Gesamtenergie des auftreffenden Schalls
abzüglich
der Energie des reflektierten Schalls, wobei der Betrag der Schallabsorption,
für den
Elemente in einem Raum (wie etwa Teppiche, Möbel usw.) sorgen, in starkem
Maße das
akustische Behaglichkeitsempfinden eines Bewohners beeinflusst.
Beispielsweise kann in einem Zimmer oder Raum, der ein übermäßiges Widerhallen
oder Nachhallen ermöglicht
(d.h. ein Fortbestehen des Schalls, nachdem die Schallquelle die
Schallerzeugung eingestellt hat), das Verstehen von Sprache schwierig
wenn nicht gar unmöglich sein.
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Das
Schallabsorptionsvermögen
eines Baustoffs oder eines Systems kann in Einheiten des Geräuschminderungskoeffizienten
(NRC: Noise Reduction Coefficient), wie er durch die American Society
of Testing and Materials (ASTM) beschrieben worden ist, ausgedrückt werden,
wobei bei spielsweise ein System mit einem Geräuschminderungskoeffizienten von
0,90 ein Schallabsorptionsvermögen
von ungefähr
90 % eines idealen Absorbers aufweist. Für ein System werden Schätzungen
des Geräuschminderungskoeffizienten
berechnet, indem der Durchschnitt von ermittelten Schallabsorptionskoeffizienten
gebildet wird, die bei Terzbandmittenfrequenzen 250, 500, 1000 und
2500 Hz spezifiziert sind.
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Die
Nachhallzeit, die eine Messgröße für das Echo
in einem Raum darstellt, gibt den Zeitraum an, den ein Schallpegel
benötigt,
um auf 60 dB abzusinken, nachdem die Schallquelle ausgeschaltet
worden ist. Der Betrag der Schallabsorption, der für einen
bestimmten Raum erforderlich ist, hängt selbstverständlich davon
ab, wie der Raum in erster Linie verwendet wird. Für Räume, in
denen eine Verkürzung der
Nachhallzeit kritisch ist (wie etwa große Versammlungsräume, Speiseräume, Hörsäle oder
Räume,
die für
Konferenzschaltungen vorgesehen sind), werden Schallabsorptionsbereiche
und -örtlichkeiten so
angepasst, dass die Nachhallzeit, die für die Verwendung des Raumes
zweckmäßig ist,
verwirklicht wird, indem empfohlene schallabsorbierende Paneele
und Platten zielgerichtet über
die Wände,
die Decke und gegebenenfalls den Fußboden verteilt werden. Eine
solche Verarbeitung verbessert die Verständlichkeit und die Schallausbreitung
in dem Raum, und in vielen Fällen
kann die Verwendung von schallabsorbierenden Platten, die für eine Schallabsorption
im Bereich der Sprachfrequenzen (ungefähr 250 bis 2000 Hz) optimiert
sind, für
eine zufrieden stellende Nachhallzeit sorgen, wobei notwendige Signal-Rausch-Verhältnisse
ohne Verstärkung
erhalten bleiben.
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Für Räume, bei
denen andere Faktoren als die Schalldämpfung die Gestaltung bestimmen,
wie etwa Räume
in einem Bürohaus,
werden typisch vor allem nur Deckenplatten als schallabsorbierende Elemente
verwendet. Obwohl diese herkömmlichen Platten
ein Schallabsorptionsvermögen
aufweisen (d.h. einen Geräuschminderungskoeffizienten
von 0,55), sind Architekten mitunter gezwungen, eine weitere Schalldämmung in
Form von Dämmwatte, die über den
Deckenplatten eingebaut wird, oder in Form von zusätzlichen
Decken- und/oder Wandschalldämmplatten
zu verwenden, um störende
Geräusche
zu mindern, die mit der menschlichen Konversation und der Büroausstattung
im Zusammenhang stehen, und um den Angestellten eine Privatsphäre zu verschaffen
und ihre Arbeitsproduktivität
zu steigern. Leider sind diese Verfahren teuer, fügen dem
Entwurf eines Bauwerks zusätzliche
Elemente hinzu und erfordern eine zeitaufwändige und genaue Installation.
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Deckenplatten
sind typisch an ihrer Innenseite (d.h. an der Seite, die den Benutzern
eines Raums zugewandt ist) mit einem Deckschichtmaterial überzogen,
das einzig zum Zweck hat, die Platten ästhetisch ansprechend oder
zumindest unauffällig
zu machen. Bisher ist ein derartiges Deckschichtmaterial nicht als
ein wichtiges Element eines akustischen Systems behandelt worden.
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Ein
Verfahren, um eine Außenlage
und ein Trägermaterial übereinander
zu schichten, um das Schalldämmvermögen des
Trägermaterials
zu erhöhen,
ist im US-Patent Nr. 5,824,973 (Haines u.a.) offenbart, das ein
System gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 offenbart. Das Patent an Haines erfordert jedoch
eine komplizierte und individuelle Bestimmung des optimierten Wertes
des akustischen Widerstandsverhältnisses
für jedes
Trägermaterial,
wobei ein Deckschichtmaterial mit einem berechneten Luftströmungswiderstand
nur dann auf ein Trägermaterial
geschichtet wird, wenn festgestellt worden ist, dass das Trägermaterial
einen Luftströmungswiderstand
aufweist, der nicht ausreicht, um den Wert des akustischen Widerstandsverhältnisses
zu optimieren. Als spezielle Werte für den Luftströmungswiderstand
gibt das Patent an Haines an, dass der Luftströmungswiderstand des Gesamtsystems
des Schicht stoffs ungefähr
740 MKS Rayl betrug, während
der Widerstand des Trägermaterials
allein etwa 360 MKS Rayl betrug.
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GB-A-2118590
beschreibt eine einlagige dämmende
Deckenvertäfelung,
die mit einer Reihe von Rillen in der Oberfläche der Tafeln versehen ist, um
sowohl das dekorative Aussehen als auch das Schalldämmvermögen zu verbessern.
Die Tafel könnte
aus einem Gemisch aus Mineralfasern, organischen Fasern, Stärke und
Lehm gebildet sein und einen Luftströmungswiderstand von ungefähr 1200 μbar(cm/s)–1 aufweisen,
was 12 000 MKS Rayl entspricht.
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US-A-3858676
lehrt ein dünnes
dreilagiges schallabsorbierendes Paneel, das eine perforierte Rückseitenschicht,
eine schwere textile Vorderseitenschicht und einen Glasfaserkern
umfasst. Der Luftströmungswiderstand
nimmt von der Rückseite zur
Vorderseite hin zu. Was den Luftströmungswiderstand der schweren
textilen Vorderseite anbelangt, so hat sie einen spezifischen Strömungswiderstand von
300 bis 1800 MKS Rayl.
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US-A-5684278
beschreibt ein starres Schallschutzpaneel, das eine starre Matrix
umfasst, die aus Quarzglasfasern mit zufälliger Ausrichtung gebildet ist.
Während
dieses Dokument eine Zunahme des Luftströmungswiderstands von der Vorderseite
zur Rückseite
vorschlägt,
wird keine klare Lehre in Bezug auf die spezifischen Werte des Luftströmungswiderstands
gegeben. Im Allgemeinen hat das Paneel an beiden Paneelseiten einen
verhältnismäßig hohen Strömungswiderstand.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf ein einfaches und preiswertes Deckensystem
ab, das auf der Grundlage vorhandener Deckenplatten die Ausführung verbessert,
um breitbandig die akustischen Parameter in Form der Ab sorption
verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Schallabsorptions-System gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
Folglich schafft die vorliegende Erfindung ein System zur Verbesserung
der Schallabsorption, das einen Träger aus einem porösen Isoliermaterial
mit einem ersten Luftströmungswiderstand
und ein Deckschichtmaterial mit einem zweiten Luftströmungswiderstand,
das an dem Träger
angebracht ist, umfasst, wobei der Gesamtwiderstand des Systems
eine Kombination aus dem ersten und dem zweiten Luftströmungswiderstand
darstellt und wobei der Gesamtwiderstand des Systems und der zweite
Luftströmungswiderstand
verhältnismäßig niedrige
Werte aufweisen.
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Die
vorliegende Konstruktion empfiehlt (in Bezug auf die typische Praxis)
eher einen hohen Strömungswiderstand
der Deckschicht. Außerdem gibt
die vorliegende Erfindung spezifische Strömungswiderstandsbereiche für jedes
System sowie den Frequenzbereich, in dem diese Elemente wirksam
werden, an.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen,
wenn sie in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird,
worin gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen repräsentiert werden
und worin
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1 eine Perspektivansicht
eines Plattensystems gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ermittelte Schallabsorptionskoeffizienten
für drei
Proben mit ungleichem Gesamtwiderstand und konstantem Deckschichtwiderstand
zeigt;
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3 ermittelte Schallabsorptionskoeffizienten
für drei
Proben mit ungleichem Deckschichtwiderstand und konstantem Gesamtwiderstand
zeigt;
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4 ermittelte Schallabsorptionskoeffizienten
für zwei
Proben mit ungleichem Deckschichtwiderstand und ungleichem Gesamtwiderstand
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 veranschaulicht ein System
zur Schallabsorption, das als ein Plattensystem 100 dargestellt
ist, das ein Trägermaterial 102 und
eine Deckschicht oder ein Deckschichtmaterial 104 umfasst,
die bzw. das an dem Trägermaterial 102 angebracht
ist. Das Trägermaterial 102 besitzt
einen ersten Luftströmungswiderstand,
und das Deckschichtmaterial 104 besitzt einen zweiten Luftströmungswiderstand,
wobei der Gesamtwiderstand des Systems eine Kombination aus dem
ersten und dem zweiten Luftströmungswiderstand
ist. Das Plattensystem 100 kann als Einzelelement in einer
Anordnung von gleichartigen Elementen (z.B. einer Anordnung von Deckenplatten)
oder allein verwendet werden. Außerdem kann das Plattensystem 100 in
eine Deckenkonstruktion oder eine beliebige andere Baueinheit eingefügt sein.
Das Trägermaterial 102 kann
aus einem herkömmlichen
Deckenplattenmaterial oder alternativ aus einem porösen Isoliermaterial,
wie beispielsweise Glasfasern, Mineralfasern, thermoplastischen
Polymerfasern, aushärtbaren
Polymerfasern, kohlenstoffhaltigen Fasern, Seidenpflanzen-Fasern oder
Schaumisoliermaterial, hergestellt sein. Das Deckschichtmaterial 104 kann
eine dünne
Haut sein, die aus Kunststoff hergestellt ist, oder kann alternativ aus
einem beliebigen dünnen,
beschichteten oder unbeschichteten Material, etwa aus halbdurchlässigem Papier,
Gewebe oder einer perforierten Folie, hergestellt sein. Das Plattensystem
ist zwar in einer quadratischen oder rechteckigen Form gezeigt,
es kann jedoch alternativ eine beliebige Form haben.
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Die
Dicke D2 des Trägermaterials 102 kann einen üblichen
Wert haben, etwa 25,4 mm (ein Zoll), oder kann alternativ größer oder
kleiner sein. Die Dicke D3 des Deckschichtmaterials braucht nur
etwa 0,25 mm (0,010 Zoll) betragen oder kann alternativ größer oder
kleiner sein.
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Das
Deckschichtmaterial 104 kann auf die Hauptseite des Trägermaterials 102 geklebt
sein, beispielsweise durch Verleimen oder Heißkleben. Alternativ kann das
Deckschichtmaterial 104 durch andere Mittel an dem Trägermaterial 102 befestigt
sein und an Ort und Stelle gehalten werden, wobei diese Mittel ein
Verbinden mittels mechanischer Befestigungselemente, ein Fügen oder
ein anderweitiges Befestigen des Deckschichtmaterials 104 am
Trägermaterial 102 längs der
Kanten oder Seiten des Substrats oder durch anderweitiges direktes
oder indirektes Befestigen des Deckschichtmaterials 104 an
dem Trägermaterial 102 einschließen, jedoch
nicht hierauf beschränkt
sind. Als eine weitere Alternative könnte das Trägermaterial 102 mit
dem Deckschichtmaterial 104 als eine einzige Laminatstruktur
hergestellt sein. Das Deckschichtmaterial 104 kann auch
an beiden Hauptseiten des Trägermaterials 102 angebracht sein
(beispielsweise kann ein zweites Deckschichtmaterial auf der dem
Deckschichtmaterial 104 gegenüberliegenden Seite angebracht
sein).
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Die
Anordnung des Plattensystems 100 in einem Bauwerk (wie
etwa einem Geschäftsgebäude) kann
auf herkömmliche
Art und Weise erfolgen, beispielsweise in einem Gitternetz unter
einer Deckenbaueinheit in einem Abstand von ungefähr 402 mm unterhängend, um
für akustische
Zwecke einen mit Luft ausgefüllten
Raum zu schaffen. Da sich die Größe des Plattensystems 100 nicht
von jener herkömmlicher Deckenplatten
unterscheidet (oder sich nur geringfügig unterscheidet) erfordert
die Installation des Plattensystems 100 keine zusätzlichen
Schritte oder Unterweisungen. Alternativ kann das Plattensystem 100 in
einer beliebigen anderen herkömmlichen
oder weiteren Konfiguration angeordnet werden.
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Anders
als das Patent an Haines empfiehlt eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eher einen niedrigen als einen hohen
Strömungswiderstand
des Deckschichtmaterials (in Bezug auf die typische Praxis). Außerdem gibt
eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung spezifische Bereiche des Strömungswiderstandes
für jedes
System sowie den Frequenzbereich an, in dem diese Elemente wirksam
werden. Das Schalldämmungsverhalten
des Plattensystems 100 kann in drei interessierenden Frequenzbereichen
betrachtet werden, die durch zwei verschiedene physikalische Parameter
bestimmt sind: den Luftströmungswiderstand
des gesamten Systems (oder einfach Gesamtelementwiderstand) und
den Luftströmungswiderstand
des Deckschichtmaterials 104, die beide in MKS Rayl gemessen
werden. Diese Größe kann auch
als Widerstandsbeiwert der Luft durch ein Material oder ein Bauelement
ausgedrückt
werden. Der Gesamtelementwiderstand des Plattensystems 100 ist
die Kombination aus dem Widerstand des Trägermaterials 102 und
dem Deckschichtmaterial 104.
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Der
Gesamtelementwiderstand bestimmt den unteren Frequenzbereich von
ungefähr
100 bis 400 Hz. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wellenlängen in
diesem Bereich viel größer (d.h.
wenigstens viermal größer) als
die Gesamtplattendicke D1 sind und deshalb das Plattensystem 100 als
ein konzentriertes Widerstandselement erfahren. Der zweite Bereich
ist der Bereich hoher Frequenzen von ungefähr 1250 bis 8000 Hz. In diesem
Bereich bestimmt der Widerstand des Deckschichtmaterials 104 das
Verhalten. Hier ist die Dicke des Plattensystems 100 in
Bezug auf die Wellenlänge
groß (z.B.
größer als
1/4 der Wellenlänge
oder mehr), und die Schallwelle nimmt dementsprechend das Plattensystem 100 als
mehrere diskrete Elemente (d.h. Trägermaterial 102 und
Deckschichtmaterial 104) war. Der dritte und letzte Bereich
ist der Übergangsbereich
der mittleren Frequenzen von ungefähr 400 bis 1250 Hz, in dem
das Verhalten durch beide Parameter beeinflusst wird.
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2 zeigt die modellierten
Ergebnisse verschiedener Konfigurationen des Systems bei einer konstanten
Probendicke und einem konstanten Deckschichtwiderstand von 650 MKS
Rayl, jedoch unterschiedlichen Gesamtelementwiderständen. Für die angenommenen
Systeme ergibt sich der Bereich von 800 bis 1200 MKS Rayl. Wie dargestellt
ist, wird der Bereich von 100 bis 400 Hz in Bezug auf die Schallabsorption
(und folglich den Geräuschminderungskoeffizienten)
in starkem Maße
durch eine Verringerung des Gesamtwiderstands beeinflusst, wobei bei
2500 Hz die Verbesserungen geringer sind, wie zu sehen ist.
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In 3 ist der Widerstand des
Deckschichtmaterials 104 verändert worden, während der
Widerstand des Systems bei 1200 MKS Rayl konstant gehalten wurde.
Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass es keine Wirkung in Bezug
auf eine Schallabsorption bei 400 Hz und darunter gibt und dass
die größten Veränderungen
bei 1250 Hz und darüber auftreten.
Deckschichtmaterialien mit hohen Strömungswiderständen beginnen
wegen ihrer hohen Schallimpedanz und der nicht übereinstimmenden Impedanz an
der Luft-Deckschicht-Übergangsfläche eher
als Reflektoren zu wirken als durchlässige Membranen. Diese fehlende Übereinstimmung
resultiert aus dem Unterschied zwischen der Impedanz von Luft und
der Impedanz des Deckschichtmaterials 104.
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Um
ein besseres Schalldämmungsverhalten unter
Anwendung der hier dargestellten Ideen zu erzielen, sollte ein optimales
Plattensystem 100 einen Gesamtwiderstand aufweisen, der
im Vergleich zu dem derzeit verwendeten sehr klein ist. Beispielsweise
kann ein verhältnismäßig niedriger
Gesamtelementwiderstand etwa zwischen 900 bis 1300 MKS Rayl sein.
Ein optimales System würde
außerdem
ein Deckschichtmaterial 104 mit einem Widerstand haben,
der im Vergleich zu dem derzeit verwendeten sehr klein ist. Beispielsweise
kann ein verhältnismäßig niedriger
Deckschichtwiderstand im Bereich von etwa 100 bis 500 MKS Rayl sein. 4 veranschaulicht die Schallabsorptionskoeffizienten
einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die modellierte Ausführung eines
optimierten Systems Deckschichtmaterial 104 mit einem Widerstand
von 325 MKS Rayl und Trägermaterial 102 mit
einem Widerstand von 325 MKS Rayl enthält, wodurch sich ein Gesamtelementwiderstand
von 650 MKS Rayl ergibt. Das verbesserte System enthält Deckschichtmaterial 104 mit
einem Widerstand von 650 MKS Rayl und Trägermaterial 102 mit
einem Widerstand von 550 MKS Rayl, wodurch sich ein Gesamtelementwiderstand
von 1200 MKS Rayl ergibt.
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Die
sich aus beiden analytischen Modellen ergebenden Geräuschminderungskoeffizienten
sollten auf 0,10 eingestellt sein, damit sie gemessene Versuchsdaten
eines entsprechenden Deckensystems repräsentieren. Dementsprechend
hat die Probe, die als verbessertes System bezeichnet worden ist,
einen Geräuschminderungskoeffizienten
von 0,839 (0,95 Versuchsergebnis), während das Beispiel des optimierten
Systems einen Geräuschminderungskoeffizienten
von 0,931 (1,05 Versuchsergebnis) hat, wobei beide eine Schalldämmung bieten,
die höher
als bei einem herkömmlichen
Deckenplattensystem ist. Tatsächlich
haben weitere Versuche diese experimentellen Ergebnisse bestätigt.
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Auf
diese Weise schaffen die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung mit Gesamtelementwiderständen und Deckschicht-Luftströmungswiderständen, die
verhältnismäßig niedrige
Werte aufweisen, ein einfaches und kostengünstiges Deckenplattensystem
zur Schallabsorption, ohne umfangreiche zusätzliche Berechnungen oder komplizierte
Fertigungsverfahren zu benötigen.
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Die
in Kürze
offenbarten Ausführungsformen sind
deshalb in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als eingeschränkt zu betrachten.
Der Geltungsbereich der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche gegeben.