DE8032078U1 - Coincidence silencer - Google Patents
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Description
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Sa, 29. 3. 80Sat, 29. 3. 80
KOINZIDENZSCHALLDÄMPFERCOINCIDENCE SILENCER
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wandelement zur Schallabsorption mit geschlossener Oberfläche und hoher mechanischer, f korrosiver und thermischer Festigkeit unter Ausnützung des ? Koinzidenzeffektes. Es ist beabsichtigt, eine Schalldämpfung \:l und Schalldämmung in Kanälen, Kapseln, Räumen und bei Ansaug- § und Auslaßströmungen herbeizuführen. &iacgr; The invention relates to a wall element for sound absorption with a closed surface and high mechanical, corrosive and thermal strength using the coincidence effect. It is intended to bring about sound dampening and sound insulation in ducts, capsules, rooms and in intake and outlet flows.
Bekannt für diese Aufgabenstellung sind Absorptionsnviterialien &idigr; der verschiedensten Ausführungsformen. Bei diesen wird durch die Reibbewegung von Schallschnelle und Absorptionsstoff der ■ Schall in Wärme übergeführt. Um hohe Absorptionswerte zu er- &Idigr; reichen, kommt es darauf an, eine möglichst weiche, offenporige Absorberfläche und eine ausreichende Absorbertiefe zur Verfügung zu haben. Außerdem ist beim Einsatz von absorbierenden Raumwänden bzw. Decken ein Mindestabstand von ca. einem Viertel der Schallwellenlänge vom Absorber zur Wand notwendig, um im Bereich wirksamer Schnellebewegungen zu liegen.Absorption materials of various designs are known for this task. In these, the sound is converted into heat by the frictional movement of the sound wave and the absorption material. In order to achieve high absorption values, it is important to have an absorber surface that is as soft and open-pored as possible and a sufficient absorber depth. In addition, when using absorbent room walls or ceilings, a minimum distance of approximately one quarter of the sound wavelength from the absorber to the wall is necessary in order to be in the area of effective velocity movements.
Ein Nachteil der beschriebenen Absorptionsmaterialien ist deren geringe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchung, Feuchtigkeit und Verrottung.A disadvantage of the absorption materials described is their low resistance to mechanical stress, moisture and rotting.
Mit der deutschen Patentanmeldung P 25 31 866 ist ein Wandelement bekannt geworden, das ebenfalls den Koinzidenzeffekt zur Schallabsorption ausnützt. Der Nachteil dieser Konstruktion ist jedoch, daß diese Elemente keine Biegeschwinger sind und keinen Volumenhub aufweisen. Das hat zur Folge, daß diese nicht wirken, wenn sie beidseitig von Schall beaufschlagt sind.The German patent application P 25 31 866 has disclosed a wall element that also uses the coincidence effect to absorb sound. The disadvantage of this design, however, is that these elements are not flexural vibrators and do not have a volumetric stroke. This means that they are ineffective when sound is applied to both sides.
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Aufgabe der Erfindung ist ein Wandelement zur Schallabsorption unter Ausnützung des Koinzidenzeffektes. Im besonderen sind Koinzidenzschwinger vorgesehen, die einen Volumenschub aufweisen. Damit ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik auch eine Schalldämpfung und Schalldämmung auch bei beidseitiger Beaufschlagung mit Schall. Dank des Volumenhubes kommt es auch bei identischer Beaufschlagung der Vorder- und Rückseite zu keiner Aufhebung der resultierenden Druckkräfte, sondern beide Seiten werden individuell zu Koinzidenzschwingungen angeregt. Das ergibt nicht nur eine doppelte Flächenausnützung, sondern erspart auch eine spezielle Abdeckung einer Wandseite zur Ver-' -" meidung einer Druckneutralisation.The object of the invention is a wall element for sound absorption using the coincidence effect. In particular, coincidence oscillators are provided which have a volumetric thrust. This results in sound damping and sound insulation compared to the state of the art, even when sound is applied from both sides. Thanks to the volumetric thrust, even when the front and back are exposed to the same force, the resulting pressure forces are not canceled out, but both sides are individually stimulated to coincidence oscillations. This not only results in double utilization of the area, but also saves the need for a special covering of one side of the wall to avoid pressure neutralization.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Biegewellenleiter als Koinzidenzwellenleiter mit Profilformen mit hohem Flächenträgheitsmoment J, z. B. trapezförmig, wellenförmig und aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul E und geringer Dichte <? , z. B. Aluminium, Beryllium, Stahl, GFK- und CFK-Materialien verwendet werden. Mit diesen Bedingungen lassen sich bei kleinem Flächengewicht und deshalb hoher akustischer Wirkung ausreichend hohe Biegewellengeschwindigkeiten erreichen.According to the invention, this object is achieved by using bending waveguides as coincidence waveguides with profile shapes with a high area moment of inertia J, e.g. trapezoidal, wave-shaped and made of a material with a high elastic modulus E and low density <? , e.g. aluminum, beryllium, steel, GRP and CFRP materials. With these conditions, sufficiently high bending wave speeds can be achieved with a low area weight and therefore a high acoustic effect.
/ Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden jeweils 2 Koinzidenzwellenleiter im wesentlichen parallel zusammengeschlossen, wobei der sich bildende Zwischenraum gasdicht abgeschlossen und mit einem Gas mit hoher Schallgeschwindigkeit, z. B. Helium, Wasserstoff gefüllt ist. Eine solche Maßnahme ergibt im Zwischenraum dank der hohen Schallgeschwindigkeit Druckausgleich, so daß auch bei kleinem Abstand der Koinzidenzwellenleiter die Federeigenschaften des Gaspolsters weniger stören./ According to a further feature of the invention, 2 coincidence waveguides are connected together essentially in parallel, whereby the resulting gap is sealed gas-tight and filled with a gas with a high speed of sound, e.g. helium or hydrogen. Such a measure results in pressure equalization in the gap thanks to the high speed of sound, so that even when the coincidence waveguides are close together, the spring properties of the gas cushion are less disruptive.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden als Koinzidenzwellenleiter flächen- oder streifenförmige Membrane verwendet, die unter einer zwei- oder einachsigen Zugbelastung stehen, soAccording to a further feature of the invention, as coincidence waveguides, flat or strip-shaped membranes are used, which are subjected to a two- or one-axis tensile load, so
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daß die Membranwellengeschwindigkeit gleich der Schallgeschwindigkeit des umgebenden Mediums ist. Die Zugbelastung bei planen Membranflächen kann durch die Randeinspannung erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch einseitige Vakuumoder Unterdruckbelastung gewölbte Membranflächen unter Zugbelastung zu halten.that the membrane wave speed is equal to the speed of sound of the surrounding medium. The tensile load on flat membrane surfaces can be achieved by clamping the edges. Another possibility is to keep curved membrane surfaces under tensile load by applying a vacuum or negative pressure to one side.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Ränder der als Koinzidenzwellenleiter verwendeten Biegewellenleiter nicht fest gegeneinander fixiert/ sondern können dank einer federweichen Verbindung frei schwingen. Dadurch wirkt die gesamte sw Länge des Koinzidenzwellenleiters. Im weiteren ist das in Schallrichtung gesehen hintere Ende des Koinzidenzwellenleiters bedämpft. Dies kann in an sich bekannter Weise durch einen reflexionsfreien Abschluß des Koinzidenzwellenleiters erreicht werden. In diesem Fall ist die Abschlußimpedanz auf die des Biegewellenleiters abgestimmt. Dieser Mechanismus wird beispielsweise auch bei der Randdämpfung von Fensterscheiben mittels Kitt angewendet. According to a further feature of the invention, the edges of the flexible waveguides used as coincidence waveguides are not firmly fixed to one another, but can oscillate freely thanks to a spring-soft connection. This means that the entire length of the coincidence waveguide is effective. Furthermore, the rear end of the coincidence waveguide, seen in the direction of sound, is damped. This can be achieved in a manner known per se by a reflection-free termination of the coincidence waveguide. In this case, the termination impedance is matched to that of the flexible waveguide. This mechanism is also used, for example, for edge damping of window panes using putty.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Koinzidenzwellenleiter zusätzlich mit konventionellen, porösen Absorptionsmatten abgedeckt. Damit können insbesondere die hohen Frequenzen gedämpft werden.According to a further feature of the invention, the coincidence waveguides are additionally covered with conventional, porous absorption mats. This allows the high frequencies in particular to be attenuated.
Die Erfindung ist anhand der folgenden Zeichnungsbeschreibungen näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail with reference to the following drawing descriptions. They show
Fig. 1 bis Fig. 7 Absorptionselemente mit Koinzidenzwellenleitern unter Benützung von Biegewellen,Fig. 1 to Fig. 7 Absorption elements with coincidence waveguides using bending waves,
Fig. 8 bis Fig. 11 Absorptionselemente mit Koinzidenzwellenleitern unter Benützung von Membranwellen.Fig. 8 to Fig. 11 Absorption elements with coincidence waveguides using membrane waves.
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Fig. 1 zeigt die Grundausführung eines Absorptionselementes 1. Es besteht aus 2 Koinzidenzleitern 2, die eine Trapezform aufweisen. Zwischen den beiden Koinzidenzleitern 2 befindet sich ein Zwischenraum 3. Der Zwischenraum 3 ist gasdicht nach außen abgeschlossen und ist mit einem Gas mit hoher Schallgeschwindigkeit, z. B. Wasserstoff oder Helium mit Umgebungsdruck gefüllt.Fig. 1 shows the basic design of an absorption element 1. It consists of 2 coincidence conductors 2, which have a trapezoidal shape. There is a gap 3 between the two coincidence conductors 2. The gap 3 is sealed gas-tight to the outside and is filled with a gas with a high speed of sound, e.g. hydrogen or helium at ambient pressure.
Zur gegenseitigen Fixierung dienen Distanzhalter 4 in Rollen- :! form. Die Koinzidenzleiter 2 stellen Biegewellenleiter dar. K Gegeben durch Wandstärke und Trapezhöhe weisen diese in Achsen- il. richtung ein Flächenträgheitsmoment J auf. Mit dem Elastizitäts- I y modul E, Massenbelegung m und bei der Anregungsfrequenz w hat £ der Koinzidenzleiter eine Biegewellengeschwindigkeit C-Spacers 4 in roll form are used for mutual fixation. The coincidence conductors 2 represent bending waveguides. Given the wall thickness and trapezoid height, these have an area moment of inertia J in the axial direction. With the elastic modulus E, mass coverage m and at the excitation frequency w, the coincidence conductor has a bending wave velocity C-
Diese wird nun so gewählt, daß sie mit der Spurgeschwindigkeit CThis is now chosen so that it corresponds to the track speed C
einer unter dem Winkel oC einfallenden Schallwelle übereinstimmt*of a sound wave incident at an angle oC*
CS - CB C S - C B
Zur Dämpfung breitbandiger Lärmsignale sind mehrere auf verschie dene Frequenzen abgestimmte Absorptionselemente 1 zu verwenden. Bei parallelem Schalleinfall ist insbesondere C = C = C_ (C = Schallgeschwindigkeit). Als Material für die Koinzidenzleiter eignen sich insbesondere Stoffe mit hohem Elastizitätsmodul E und kleiner Dichte, z. B. Aluminium, Faserstoffe wie GFK und CFK, Beryllium und auch Stahl.To attenuate broadband noise signals, several absorption elements 1 tuned to different frequencies must be used. In the case of parallel sound incidence, C = C = C_ (C = speed of sound). Materials with a high modulus of elasticity E and low density, e.g. aluminum, fiber materials such as GRP and CFRP, beryllium and also steel, are particularly suitable as materials for the coincidence conductors.
Fig. 2 stellt eine analoge Ausführung zu Fig. 1 dar. Das Absorptionselement 11 besteht aus 2 Koinzidenzleitern 12 mit wellenförmigem Profil. Im Zwischenraum 13 befindet sich wieder ein Gas mit hoher Schallgeschwindigkeit (Wasserstoff, Helium) mit Umgebungsdruck und die rollenförmigen Fixierungen 14.Fig. 2 shows an analogous design to Fig. 1. The absorption element 11 consists of 2 coincidence conductors 12 with a wave-shaped profile. In the space 13 there is again a gas with a high speed of sound (hydrogen, helium) at ambient pressure and the roller-shaped fixings 14.
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Die Koinzidenzleiter 12 stellen wieder Biegewellenleiter dar, deren Biegewellengeschwindigkeit auf die des umgebenden Mediums z. B. Luft abgestimmt ist. Die Absorptionselemente sind beispielsweise in einem Lüftungskanal 1S" angebracht.The coincidence conductors 12 again represent bending wave conductors whose bending wave speed is matched to that of the surrounding medium, e.g. air. The absorption elements are installed, for example, in a ventilation duct 1S " .
Neben den in den vorangegangenen Beschreibungsbeispielen Trapezoder Wellenform des Koinzidenzleiters können an sich beliebige Querschnittsformen gewählt werden. Die Profilform dient im besonderen zur Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes und damit der Biegewellengeschwindigkeit. In Fig. 3 beispielsweise ist eine doppelt gewellte Profilform der Koinzidenzwellenleiter dargestellt. In diesem Fall ist gleichzeitig ein Zugmechanismus 23 vorgesehen, durch den die Koinzidenzwellenleiter 22 in Querrichtung gestreckt (verkürzt) werden können. Dadurch ändert sich auch die Profilhöhe und damit die Biegewellengeschwindigkeit. Auf diese Weise kann diese veränderten Betriebsbedingungen angepaßt werden. Eine automatische, temperaturabhängige Regelung ergibt sich bei Verwendung von Bimetallstreifen. Durch Barometerfedern läßt sich analog eine druckabhängige Regelung realisieren.In addition to the trapezoidal or wave shape of the coincidence conductor in the previous description examples, any cross-sectional shape can be selected. The profile shape is used in particular to increase the area moment of inertia and thus the bending wave speed. In Fig. 3, for example, a double-wave profile shape of the coincidence waveguide is shown. In this case, a pulling mechanism 23 is also provided, by means of which the coincidence waveguide 22 can be stretched (shortened) in the transverse direction. This also changes the profile height and thus the bending wave speed. In this way, these can be adapted to changed operating conditions. Automatic, temperature-dependent control is achieved when bimetallic strips are used. Pressure-dependent control can be achieved in a similar way using barometer springs.
Da die Biegewellengeschwindigkeit frequenzabhängig ist, sind für eine breitbandige Schallbeeinflussung in Fig. 4 Absorptionselemente 31 dargestellt, deren Koinzidenzleiter 32 unterschiedliche Profilhöhe und damit für die unterschiedlichen Frequenzen der Schallgeschwindigkeit angepaßte Koinzidenzgeschwindigkeit aufweisen.Since the bending wave speed is frequency-dependent, absorption elements 31 are shown in Fig. 4 for a broadband sound influence, the coincidence conductors 32 of which have different profile heights and thus coincidence speeds adapted to the different frequencies of the speed of sound.
In Fig. 5 ist ein Absorptionselement 41 im Längsschnitt dargestellt. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß die Profilhöhe der Koinzidenzleiter 42 in Längsrichtung anwächst. Eine solche Maßnahme gewährleistet wie in Fig. 4, daß bei breitbandigem Lärm die einzelnen Lärmfrequenzen jeweils passende Abschnitte mit Koinzidenzbedingung finden.In Fig. 5, an absorption element 41 is shown in longitudinal section. It is characterized in that the profile height of the coincidence conductors 42 increases in the longitudinal direction. Such a measure ensures, as in Fig. 4, that in the case of broadband noise, the individual noise frequencies each find suitable sections with coincidence conditions.
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Fig. 6 ist ein Querschnitt durch ein Absorptionselement 51 mit einem doppelrohrförmigen Koinzidenzwellenleiter 52. Im gasdicht abgeschlossenen Zwischenraum 53 befindet sich wieder Gas mit hoher Schallgeschwindigkeit. Fig. 6 is a cross-section through an absorption element 51 with a double-tubular coincidence waveguide 52. In the gas- tight space 53 there is again gas with high sound velocity.
Fig. 7 zeigt den Querschnitt eines Absorptionselementes 61 mit aus Honeycomb-Platten bestehenden Koinzidenzwellenleitern 62, die unter Bildung des Zwischenraumes 63 gasdicht zusammengefügt sind. Zweckmäßigerweise haben die zum Zwischenraum 63 hin orientierten Deckplatten öffnungen 64, so daß ein relativ großes Volumen im Zwischenraum 63 gebildet wird. In diesem Fall Ci kann anstelle eines Gases mit hoher Schallgeschwindigkeit auch Luft im Zwischenraum 63 vorgesehen werden.Fig. 7 shows the cross section of an absorption element 61 with coincidence waveguides 62 consisting of honeycomb plates, which are joined together in a gas-tight manner to form the intermediate space 63. The cover plates oriented towards the intermediate space 63 expediently have openings 64 so that a relatively large volume is formed in the intermediate space 63. In this case C i , air can also be provided in the intermediate space 63 instead of a gas with a high speed of sound.
Während in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 7 jeweils Biegewellenleiter benützt wurden, sind in Fig, 8 bis 11 Membranwellenleiter zugrundegelegt.While in the embodiments according to Figs. 1 to 7 bending waveguides were used, in Figs. 8 to 11 membrane waveguides are used.
Fig. 8 stellt ein Absorptionselement 71 dar, dessen Koinzidenzwellenleiter 72 Membranwellen ausführt. Er wird aufgespannt durch eine Rückenschale 74. Der Raum 73 zwischen Koinzidenzwellenleiter 72 und Rückenschale 74 ist evakuiert oder teilevakuiert. Im letzteren Fall hat das Restgas (Wasserstoff, Helium) eine hohe Schallgeschwindigkeit. Die Unterdruckbelastung ergibt in V dem Koinzidenzwellenleiter 72 eine Zugbelastung. Zugbelastung und Massenbelegung ergibt in an sich bekannter Weise eine frequenzunabhängige Membrangeschwindigkeit. Diese wird auf Koinzidenz mit dem Umgebungsmedium ausgelegt.Fig. 8 shows an absorption element 71 whose coincidence waveguide 72 carries out membrane waves. It is spanned by a back shell 74. The space 73 between coincidence waveguide 72 and back shell 74 is evacuated or partially evacuated. In the latter case, the residual gas (hydrogen, helium) has a high speed of sound. The negative pressure load results in a tensile load in the coincidence waveguide 72. Tensile load and mass loading result in a frequency-independent membrane speed in a manner known per se. This is designed for coincidence with the ambient medium.
Da die Druckbelastung des Koinzidenzwellenleiters 72 eine Krümmung ergibt, ist es vorteilhaft, eine solche Konstruktion gleichzeitig als Umlenkelement in einem Krümmer einzusetzen.Since the pressure load on the coincidence waveguide 72 results in a curvature, it is advantageous to use such a construction simultaneously as a deflection element in a bend.
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Bei einer Massenbelegung^der Membran, dem Druckunterschied &Dgr;.&Rgr;· von Vorder- und Rückseite beträgt der Krümmungsradius r, der die Koinzidenzgeschwindigkeit c ergibtWith a mass loading^of the membrane, the pressure difference Δ.�R· between the front and back, the radius of curvature r, which gives the coincidence speed c, is
r = mcr = mc
Fig. 9 stellt ein zn einem Rohr integrierten Absorptionselement 81 dar. Es besteht aus einem zylinderförmigen Koinzidenzwellenleiter 82, der durch einen Rohrmantel 84 gehalten ist. Der Raum 83 zwischen Koinzidenzwellenleiter 82 und Rohrmantel ist voll- oder teilevakuiert. Dadurch besteht eine Spannung im Koinzidenzwellenleiter 82, die eine frequenzunabhängige Membranwellengeschwindigkeit ergibt. Dank der Querkontraktion setzen sich die primären Ringspannungen ebenfalls in Längsspannungen um, so daß die Membranwellengeschwindigkeit in beiden Richtungen gleich der Schallgeschwindigkeit des das Rohr durchströmenden Mediums gemacht werden kann.Fig. 9 shows an absorption element 81 integrated into a tube. It consists of a cylindrical coincidence waveguide 82 which is held by a tube casing 84. The space 83 between the coincidence waveguide 82 and the tube casing is fully or partially evacuated. This creates a tension in the coincidence waveguide 82 which results in a frequency-independent membrane wave velocity. Thanks to the transverse contraction, the primary ring stresses are also converted into longitudinal stresses so that the membrane wave velocity in both directions can be made equal to the speed of sound of the medium flowing through the tube.
Fig. 10 stellt den zu Fig. 9 inversen Fall dar. Hier besteht das Absorptionselement 61 aus einem schlauchförmigen Koinzidenzwellenleiter 62. Dieser steht unter einem Innendruck P., wobei das Druckgas aus niedermolekularen Stoffen mit hoher Schallgeschwindigkeit besteht. Durch den Innendruck kann analog die Membranwellengeschwindigkeit auf Koinzidenz eingestellt werden.Fig. 10 shows the inverse case to Fig. 9. Here, the absorption element 61 consists of a tubular coincidence waveguide 62. This is under an internal pressure P., whereby the pressurized gas consists of low-molecular substances with a high speed of sound. The membrane wave speed can be adjusted to coincidence in an analogous manner by means of the internal pressure.
Fig. 11 zeigt ein zweiseitig wirkendes Absorptionselement 101, das an seinen Außenseiten gespannte Membrane als Koinzidenzwellenleiter 102 aufweist. Bei einer Membrandichte **» ^kg/m_7 erhalten diese eine Spannung G~lß/mJ, so daß die Membrangeschwindigkeit CM = y C/f gleich der Schallgeschwindigkeit des umgebenden Mediums, z. B. Luft ist. Die Spannung Cbesteht in beiden Membranrichtungen, so daß Schall aus allen Winkelrichtungen absorbiert werden kann. In engen Kanälen mit einer Vorzugsrichtung genügt eine einachsige Membranspannung. Fig. 11 shows a two-sided absorption element 101 which has tensioned membranes on its outer sides as coincidence waveguides 102. At a membrane density of **» ^kg/m_7, these receive a tension G~lß/mJ so that the membrane speed C M = y C/ f is equal to the speed of sound of the surrounding medium, e.g. air. The tension C exists in both membrane directions so that sound can be absorbed from all angular directions. In narrow channels with a preferred direction, a uniaxial membrane tension is sufficient.
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Die Spannung selbst kann durch Federn 105 (z. B. Knickfedern) aufrechterhalten werden. Diese Federn· 105 empfehlen sich besonders wegen ihrer Faderkonstanz, so daß unabhängig von Dehnungen immer dieselbe Membranspannung aufrecht erhalten wird. Die Federn 105 selbst stützen sich auf eine Mittelplatte 104 ab. Der Innenraum· 103 ist mit einem Gas großer Schallgeschwindigkeit erfüllt.The tension itself can be maintained by springs 105 (e.g. buckling springs). These springs 105 are particularly recommended because of their fader constancy, so that the same membrane tension is always maintained regardless of expansion. The springs 105 themselves are supported on a central plate 104. The interior 103 is filled with a gas with high sound speed.
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