DE1130192B

DE1130192B - Arrangement for dampening the airborne sound of acoustic baffles by means of rigid or limp, non-porous casing

Info

Publication number: DE1130192B
Application number: DEL34113A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Heinz Jordan
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1959-09-02
Filing date: 1959-09-02
Publication date: 1962-05-24
Also published as: CH399764A

Description

Anordnung zur Dämmung des Luftschalles akustischer Störstrahler mittels starrer oder schlapper, nichtporöser Ummantelung Bei-Transformatoren größerer Abmessungen bzw. Leistung, rotierenden elektrischen Maschinen sowie bei mechanischen Getrieben und elektromagnetischen Schwingantrieben ergeben sich bekanntlich am Aufstellungsort mittlere Schallpegel, die erhebliche Belästigungen in der näheren Umgebung darstellen bzw. dem Bedienungspersonal nicht mehr zumutbar sind und unter Umständen oberhalb der Schmerzgrenze liegen. Die in Frage kommenden Frequenzen sind dabei im wesentlichen 50 oder 100 Hz bzw. das Vielfache von 100 Hz bei Transformatoren.Arrangement for dampening the airborne sound of acoustic stray emitters by means of rigid or limp, non-porous sheathing.As is well known, with transformers of larger dimensions or power, rotating electrical machines as well as with mechanical gears and electromagnetic vibratory drives, average sound levels arise at the installation site, which represent or cause considerable annoyance in the immediate vicinity are no longer reasonable for the operating personnel and may be above the pain threshold. The frequencies in question are essentially 50 or 100 Hz or multiples of 100 Hz for transformers.

Bei diesen verhältnismäßig niedrigen Frequenzen sind die Schluckgrade der Wände des Aufstellungsortes, auch wenn man diese mit hochwertigen schallschluckenden Dämmplatten versieht, sehr niedrig, so daß eine nachträgliche Auskleidung der Räume mit schallschluckenden Stoffen trotz des dadurch bedingten großen Aufwandes keine wesentliche Herabsetzung des Schallpegels zur Folge hat. Mit Rücksicht auf die diesen tiefen Frequenzen entsprechenden größeren Schallwellenlängen in Luft ist ferner eine wirksame Dämpfung des Schalles durch zwischen Schallquelle und Raumwandung zwischengeschaltete poröse Filterstoffe nicht möglich. Hierzu ist bekanntlich erforderlich, daß der Weg im dämpfenden Stoff ein Vielfaches der Schallwellerflänge in Luft ist. Es bleibt also nur eine Ummantelung der Schallquelle übrig, wenn man von einer Entstörung durch Verwendung von Interferenzen absieht.The degrees of swallowing are at these relatively low frequencies the walls of the place of installation, even if you have them with high quality sound-absorbing Insulation panels are very low, so that a subsequent lining of the rooms with sound-absorbing materials, despite the great effort involved, none leads to a significant reduction in the sound level. With consideration for this Lower frequencies correspond to larger sound wavelengths in air effective attenuation of the sound between the sound source and the wall of the room interposed porous filter materials not possible. For this it is known to be necessary that the path in the damping material is a multiple of the sound wave length in air. So there is only a sheathing of the sound source left if you talk about interference suppression by using interference.

Zur Dämmung des Luftschalles akustischer Störstrahler hat man bekanntlich starre oder schlappe, nichtporöse Ummantelungen verwendet, z. B. den Störstrahler mit einem schalldämmenden Gehäuse umgeben. Zwischen Strahler und seinem Fundament sind dabei geräuschdämpfende Körper angeordnet, während das Gehäuse unabhängig vom Strahler durch das Fundament abgestützt ist. Bei Transformatoren hat man die Abstützung der Ummantelung am Transformatorkessel selbst vorgenommen und die Trennwände an einer geeignet erscheinenden Stelle federnd am Kessel oder einer gesonderten Tragkonstruktion des Kessels aufgehängt. Für die Schalldämmung solcher starrer, porenfreier Trennwände ist ferner bekannt, daß sie nicht nur von der Masse je Flächeneinheit, sondern auch von der Dicke und Biegesteifigkeit der Wände abhängt. Man hat daher schon in derartige Trennwände Schlitze eingesägt oder auf die Wand Leisten aufgesetzt, um das Verhältnis von Biegefestigkeit zur Masse je Flächeneinheit entweder klein oder groß zu machen.As is known, rigid or slack, non-porous sheaths have been used to dampen the airborne noise of acoustic interference radiators, e.g. B. surround the stray radiator with a sound-absorbing housing. Noise-damping bodies are arranged between the radiator and its foundation, while the housing is supported by the foundation independently of the radiator. In the case of transformers, the sheathing has been supported on the transformer tank itself and the partition walls have been suspended from the tank or a separate supporting structure of the tank at a point that appears to be suitable. For the sound insulation of such rigid, pore-free partition walls, it is also known that it depends not only on the mass per unit area, but also on the thickness and flexural strength of the walls. One has therefore already cut slots in such partition walls or put strips on the wall in order to make the ratio of flexural strength to mass per unit area either small or large.

Aus dem gleichen Grunde hat man auch bei Mänteln aus einer biegeweichen Haut zusätzliche Massen aufgebracht und in voneinander unabhängige Plättchen unterteilt. Durch die Unterteilung der Zusatzmasse in eine große Anzahl kleinster diskreter Massen in beliebiger Verteilung erreicht man eine Herabsetzung der Biegesteifigkeit, womit die Biegeresonanzen sehr tief liegen. Gleichzeitig ist man dadurch gegen den schrägen Einfall von Schallwellen geschützt.For the same reason, coats are made of a flexible material Skin applied additional masses and divided into independent platelets. By subdividing the additional mass into a large number of the smallest discrete ones Masses in any distribution one achieves a reduction of the bending stiffness, which means that the bending resonances are very low. At the same time you are against the oblique incidence protected from sound waves.

Die durch solche Maßnahmen bekannte Entstörung eines Gerätes oder eines Maschinenelementes bzw. einer ganzen Maschine, z. B. eines Transformators, ergibt aber für den davon ausgehenden Schall nicht den Dämmwert, der nach dem Unterschied der Wellenwiderstände zu erwarten wäre, sondern liegt erheblich, zum Teil bis um 500/, niedriger. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß selbst Totaldurchgänge auftraten und die Abstrahlung durch den Mantel sogar verstärkt wurde.The interference suppression of a device or a machine element or an entire machine, e.g. B. a transformer, but does not result in the sound emitted from it the insulation value that would be expected after the difference in the wave resistance, but is considerably, in some cases up to 500 /, lower. In addition, it has been shown that even total passages occurred and the radiation through the cladding was even intensified.

Bei Anordnungen zur Dämmung des Luftschalles akustischer Störstrahler mittels starrer oder schlapper, nichtporöser Ummantelung lassen sich diese Nachteile erfindungsgemäß dadurch beseitigen, daß bei starrer, nichtporöser Ummantelung der Mantel gegen die Umgebung oder gegen den störenden Strahler derart weich angekoppelt ist, daß die höchste, kritische Frequenz des Frequenzganges der durch die Ummantelung bewirkten Dämmung unterhalb der störenden Erregerfrequenz liegt, während bei einem nichtporösen, schlappen Mantel die tiefste kritische Frequenz, bei der die Dämmung verschwindet, oberhalb der höchsten störenden Erregerfrequenz liegt, und daß ferner das Wandgewicht pro Flächeneinheit dieser Ummantelung und ihr Abstand von der Strahleroberfläche so aufeinander abgestimmt sind, daß eine vorgeschriebene Dämmung bei der oder den betreffenden Störfrequenzen eintritt. Die an sich bekannten Schlappwände mit großer Dämpfung und Eigenformen von sehr niedrigen Frequenzen eignen sich bekanntlich für höhere Frequenzen der Größenordnung von 200 Hz aufwärts. Bei den für Transformatoren, Schwingantriebe u. dgl. vorhandenen tiefen Frequenzen von 50 bzw. 100 Hz empfiehlt es sich dagegen, im überkritischen Bereich mit möglichst schlappen Stützfedern und möglichst starren Ummantelungen zu arbeiten. Dabei kann man den Mantel entweder schlapp gegen den ruhenden, umgebendenRaum oder schlapp gegen die schwingende Strahleroberfläche abfedern. Es kann dabei unter Umständen zweckmäßig sein, den Mantel zu unterteilen, wie es auch möglich ist, bei Vorhandensein mehrerer störender Erregerfrequenzen mehrere abgestimmte Ummantelungen vorzusehen.In arrangements for dampening the airborne sound of acoustic stray radiators by means of rigid or limp, non-porous casing, these disadvantages can be eliminated according to the invention in that, in the case of rigid, non-porous casing, the casing is so softly coupled to the environment or to the interfering radiator that the highest, critical frequency the frequency response of the insulation caused by the sheathing is below the disturbing excitation frequency, while with a non-porous, slack sheath, the lowest critical frequency at which the insulation disappears is above the highest disturbing excitation frequency, and furthermore the wall weight per unit area of this sheathing and you Distance from the radiator surface are coordinated so that a prescribed insulation occurs at the interference frequency or frequencies concerned. The per se known collapsible walls with great attenuation and natural shapes of very low frequencies are known to be suitable for higher frequencies of the order of magnitude of 200 Hz and up. In the case of the low frequencies of 50 or 100 Hz for transformers, vibratory drives and the like, it is advisable, however, to work with support springs that are as slack as possible and sheaths that are as rigid as possible in the supercritical area. The jacket can either be cushioned against the resting, surrounding space or against the oscillating surface of the radiator. Under certain circumstances, it can be useful to subdivide the jacket, just as it is possible to provide several coordinated jackets if several interfering excitation frequencies are present.

Geht man von der bekannten physikalischen Tatsache aus, daß die an einer Grenzfläche Luft-Dämmstoff durchgelassene Schallenergie um so kleiner ist, je größer der Unterschied der Wellenwiderstände beider Medien ist, so wird man naturgemäß auf einen Mantel oder eine Trennwand aus möglichst schallharten, nichtporösen Dämmstoffen geführt. Dabei ist zu beachten, daß die gleiche Dämmung noch einmal beim Übergang vom Mantel zur Außenluft auftritt. Wählt man z. B. einen eisernen Mantel mit einer Schallgeschwindigkeit cm = 5000 [m/s] und einem spezifischen Gewicht ,y,ii = 7,85 - 10-3 [kg cm-3] und nimmt für das zwischen Strahler und Mantel vorhandene Luftpolster die Schallgeschwindigkeit mit c = 343 m/s und das spezifische Gewicht YL = 1,293 - 10-1 [kg cm-31 an, so würde sich theoretisch eine Dämmung ergeben voll Eine derartige hohe, für alte technischen Erfordernisse vollkommen ausreichende Dämmung wird aber nie beobachtet. Das liegt daran, daß die der obigen Formel zugrunde gelegte Voraussetzung eines in Ruhe bleibenden Mantels niemals zutrifft. Stets wird der Mantel zumindest als Ganzes mitschwingen. Dieses Mitschwingen des Mantels als Ganzes wird durch seine Masse M, durch die innere spezifische Federsteife CL [kg cm-'] des Luftpolsters zwischen Strahleroberfläche und dem Mantel und durch die äußere Federsteife Cm [kg cm-'] der Befestigung des Mantels bedingt. Der Einfluß dieser Größen auf die Luftschalldämmung läßt sich ohne Schwierigkeiten übersehen, wenn man sich der Einfachheit halber auf die Betrachtung ebener Wellen beschränkt. Man erhält dann das in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte akustische Ersatzschema.If one proceeds from the well-known physical fact that the sound energy transmitted at an air-insulating material interface is smaller, the greater the difference between the wave resistances of the two media, then one naturally comes across a jacket or partition made of reverberant, non-porous insulating material guided. It should be noted that the same insulation occurs again at the transition from the jacket to the outside air. If you choose z. B. an iron jacket with a speed of sound cm = 5000 [m / s] and a specific weight, y, ii = 7.85 - 10-3 [kg cm-3] and takes the speed of sound for the air cushion between the radiator and the jacket with c = 343 m / s and the specific weight YL = 1.293 - 10-1 [kg cm-31, this would theoretically result in full insulation Such a high level of insulation, which is perfectly adequate for old technical requirements, has never been observed. This is because the assumption of a mantle that remains at rest on which the above formula is based never applies. The coat will always resonate, at least as a whole. This resonance of the jacket as a whole is caused by its mass M, by the internal specific spring stiffness CL [kg cm- '] of the air cushion between the radiator surface and the jacket and by the external spring stiffness Cm [kg cm-'] of the fastening of the jacket. The influence of these variables on airborne sound insulation can be overlooked without difficulty if, for the sake of simplicity, one restricts oneself to the observation of plane waves. The acoustic substitute scheme shown in FIG. 1 of the drawing is then obtained.

In einem Rohr R vom Querschnitt F [cm2] mit schallharten, nichtporösen Wänden bewege sich die als starrer Kolben S aufgefaßte Strahleroberfläche harmonisch: X, = X, - cos Wt [cm] mit der Kreisfrequenz a) = 2,-tf [s-']. Die Amplitude X, [cm], die im allgemeinen frequenzabhängig sein wird, ist als gegeben, d. h. eingeprägt anzusehen und wird durch den Schalldruckp, nicht beeinflußt. In diesem Rohr kann sich der als Kolben aufgefaßte Mantel M bewegen, der über eine Feder mit der Federzahl Cm mit dem Rohr verbunden zu denken ist. Auch das im Raum 1 zwischen Strahler S und Mantel M eingeschlossene Luftpolster stellt eine derartige Feder dar. Die Wirkung etwaiger Schallbrücken zwischen der Strahleroberfläche und dein Mantel läßt sich stets in der spezifischen Federsteife CL des Luftpolsters berücksichtigen. Der Ab- stand 1 [cm] des Mantels M vom Strahler S und die Dicke d [cm] des Mantels sind in den technisch interessierenden Fällen stets klein im Verhältnis zur Wellenlänge A des abgestrahlten Luftschalls.In a tube R of cross section F [cm2] with reverberant, non-porous walls, the radiator surface, perceived as a rigid piston S, moves harmoniously: X, = X, - cos Wt [cm] with the angular frequency a) = 2, -tf [s- ']. The amplitude X, [cm], which will generally be frequency dependent, is given as, i.e. H. imprinted and is not influenced by the sound pressure p. The jacket M, perceived as a piston, can move in this tube, which is to be thought of as being connected to the tube via a spring with the number of springs Cm. The air cushion enclosed in space 1 between radiator S and jacket M also represents such a spring. The effect of any sound bridges between the radiator surface and your jacket can always be taken into account in the specific spring stiffness CL of the air cushion. The distance 1 [cm] of the jacket M from the radiator S and the thickness d [cm] of the jacket are always small in the technically interesting cases in relation to the wavelength A of the radiated airborne sound.

Unter diesen Voraussetzungen wird sich im Luftraum 1 ein räumlich konstanter Wechseldruckp, ausbilden: pl = Cr, - (x, - x.) [kg cm-211 (2) wobei die spezifische Federsteife des Luftpolsters bedeutet. Auf den beweglichen Mantel M wirkt also eine Kraft: F (pl -p2) - Cm - x2 = M - -3#2 m - F - d - -#2 [kg] . Under these prerequisites, a spatially constant alternating pressure p i will develop in the air space 1 : pl = Cr, - (x, - x.) [Kg cm-211 (2) where means the specific spring stiffness of the air cushion. A force thus acts on the movable jacket M: F (pl -p2) - Cm - x2 = M - -3 # 2 m - F - d - - # 2 [kg].

(4) Es bildet sich dann unmittelbar rechts von der strahlenden Oberfläche S der Schalldruck P2 = C gL [kg cm-'] (5) aus.(4) The sound pressure P2 = C gL [kg cm- '] (5) then forms immediately to the right of the radiating surface S.

Der Augenblickswert der von der Schallquelle gelieferten und ins Rohr abgestrahlten Schalleistung ist dann: nj#n2#F"pg,*,#2#F-#L-C-Z.[kgems-']. (6) Zu ihrer Berechnung muß die Schallschnelle _#p, bekannt sein. Zur Ermittlung von 4 setzt man die Werte von p, aus Gleichung (2) und p, aus Gleichung (5) in die Bewegungsgleichung für den Mantel Gleichung (4) ein und erhält: Die allein interessierende stationäre Lösung dieser Gleichung ist: x2 = X, - ei"" (8) mit der komplexen Amplitude Daher ist der zeitliche Mittelwert der nach außenabgestrahlten und von der Schallquelle nachgelieferten Leistung: während sich für den Fall, daß kein Dämmstoffmantel vorhanden ist, ein Leistungsmittelwert ergibt. Die durch den Dämmstoffmantel bewirkte Schalldämpfung ist daher: Führt man in diese Formel die Eigenfrequenz des als Ganzes schwingenden Mantels ohne Luftpolster: und die Eigenfrequenz des Systems aus dem Mantel mit der Masse M und dem Luftpolster mit der spezifischen Federsteife CL ohne die äußere Feder (CAI): ein, so erhält man: Aus der Formel für die Dämmung ist ersichtlich, daß man die mitschwingenden Mantelflächen in einem ganz bestimmten Abstand 1 von den strahlenden Flächen anordnen muß, wenn man Totaldurchgänge und Anfachungen vermeiden will.The instantaneous value of the sound power delivered by the sound source and radiated into the pipe is then: nj # n2 # F "pg, *, # 2 # F- # LCZ. [Kgems- ']. (6) To calculate it, the sound velocity _ # p, be known. To determine 4, insert the values of p, from equation (2) and p, from equation (5) into the equation of motion for the jacket, equation (4), and get: The only stationary solution of this equation that is of interest is: x2 = X, - ei "" (8) with the complex amplitude Therefore, the time average of the power radiated outwards and supplied by the sound source is: while there is an average power value in the event that there is no insulation jacket results. The sound attenuation caused by the insulation jacket is therefore: If we add the natural frequency of the shell, which vibrates as a whole, to this formula without air cushions: and the natural frequency of the system consisting of the jacket with the mass M and the air cushion with the specific spring stiffness CL without the outer spring (CAI): one, we get: From the formula for the insulation it can be seen that you have to arrange the resonating outer surfaces at a very specific distance 1 from the radiating surfaces if you want to avoid total passages and fanning.

Fig. 2 zeigt den Frequenzgang D f (f) der durch die Ummantelung bewirkten Dämmung. Aus dieser Figur geht hervor, daß es möglich ist, sowohl iih unterkritischen Bereich, d. h. unter der tiefsten kritischen Frequenz j#K bzw. iin überkritischen Bereich, d. h. oberhalb der höchsten kritischen Frequenz fz zu arbeiten (fr = Resonanzfrequenz). Legt man die Stützfedern des Mantels bzw. der Ummantelung derart steif aus, daß man fin unterkritischen Bereich arbeitet, so muß damit gerechnet werden, daß der Mantel, selbst wenn er unterteilt ist, irgendeinmal in irgendeiner Eigenform schwingt, so daß wieder Totaldurchgänge zu befürchten sind.Fig. 2 shows the frequency response D f (f) of the insulation brought about by the sheathing. From this figure it can be seen that it is possible to use both the subcritical area, i. H. below the lowest critical frequency j # K or i in the supercritical range, i.e. H. to work above the highest critical frequency fz (fr = resonance frequency). If the support springs of the jacket or sheathing are designed to be so stiff that you work fin subcritical range, it must be expected that the jacket, even if it is subdivided, will vibrate in some natural shape at some point, so that total passages are to be feared again .

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for the insulation of the airborne sound of acoustic interference radiators by means of rigid or limp, non-porous casing, characterized in that with rigid, non-porous casing the casing is so softly coupled to the environment or to the interfering radiator that the highest critical frequency of the frequency response the insulation caused by the sheathing is below the disturbing excitation frequency, while with a non-porous, slack sheath the lowest critical frequency at which the insulation disappears is above the highest, disturbing excitation frequency, and furthermore the wall weight per unit area of this sheathing and its distance are matched to one another by the beam surface in such a way that a prescribed insulation occurs at the interference frequency or frequencies concerned.

2. Arrangement for damping the airborne noise of acoustic interference radiators, characterized in that in the presence of several interfering excitation frequencies several coordinated sheaths are provided. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1 021654, 1067 499; VDE-Fachberichte, 1954, 11, p. 38ff .; Journal "Acustica", Vol. 1, 1957, p. 329ff.