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Schalldämpfer Die Erfindung bezieht sich auf einen Schall dämpfer
mit mit dem Strömungskanal verbundener Kammern.
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Bei Absorptionsschalldämpfern ist es bekannt, Kanäle, deren Wandungen
mit porösen Materialien ausgekleidet sind, zur Schalldämpfung zu verwenden, wobei
durch Reibung der Gasteilchen an dem Skelett der porösen Stoffe die Verluste entstehen,
Um diese Verluste und damit die Wirksamkeit dei Schalldämpfer zu erhöhen, kann man
hinter den porösen Werkstoffen Hohlräume anbringen, um zu erreichen, daß die Schallschnelle,
also die Wechselbewegung der Luftteilchen im porösen Stoff, einen möglichst großen
Wert erreicht. Diese Bedingung wird bekanntlich dann erfüllt, wenn der hinter dem
porösen Werkstoff liegende Hohlraum etwa eine Viertel-Schallwellenlänge tief ist,
wobei man einen »Resonanzeffekt« ausnutzt. Die auf diese Art erzielte Dämpfung ist
meist größer, als wenn man den gesamten Hohlraum mit porösem Stoff ausfüllen würde.
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Derartige Schalldämpfer haben jedoch den Nachteil, daß die Tiefe der
Auskleidung relativ groß sein muß, wenn Schall tiefer Frequenzen gedämpft werden
soll. Man hat daher, um dieser Schwierigkeit zu begegnen, an Stelle von homogenen
Schichten aus Schallschluckstoff sogenannte Helmholtz-Resonatoren zur Auskleidung
der Kanäle verwendet. Bei derartigen Bauformen stehen die Hohlräume nur über verhältnismäßig
kleine Öffnungen mit dem zu dämpfenden Kanal in Verbindung, wobei dann wieder zur
Erzielung der Dämpfung in die Öffnungen' poröser Werkstoff eingebracht wird. Man
kann aber bekanntlich auch so vorgehen, daß die Öffnungen so klein gehalten werden,
daß bereits die Luftreibung an den Öffnungsrändern für die Dämpfung ausreichend
ist. Auch in diesem Fall wird ein Resonanzeffekt ausgenutzt, denn die Dämpfung kann
zwar mit einem verhältnismäßig kleinen zusätzlichen Volumen erzeugt werden, ist
aber auch auf einen verhältnismäßig schmalen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz
herum beschränkt. Die akustischen Eingangswiderstände der Wandbekleidung derartiger
Resonanzdämpfer sind im allgemeinen relativ niedrig und bewegen sich in den Größenordnungen
des Wellenwiderstandes der Luft bzw. des in der Leitung befindlichen Gases.
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Der erfindungsgemäße Schalldämpfer geht von einem Relaxationsmechanismus
aus, um zu einer ausreichenden Schalldämpfung zu kommen.
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Unter Relaxation versteht man allgemein eine verzögerte Einstellung
von Gleichgewichtszuständen. Schließt man z. B. an einen Gaskanal ein zusätzliches
Volumen an, das von dem Kanal durch einen porösen Stoff od. dgl. von relativ hohem
Strömungswiderstand abgetrennt ist, so wird sich eine plötzliche Druckänderung im
Kanal in dem angeschlossenen Volumen erst nach einer gewissen Zeit einstellen, da
der zum Druckausgleich erforderliche Gasfluß in das Volumen hinein oder aus dem
Volumen heraus durch den Strömungswiderstand behindert wird. Erfolgt die Druckänderung
im Kanal periodisch, wie das bei einer Schallwelle der Fall ist, so wird die Druckphase
im angeschlossenen Volumen in der Regel der Druckphase im Kanal etwas nachhinken,
so daß zwischen Kanal und angeschlossenem Volumen stets eine Druckdifferenz besteht.
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Bei einem Relaxationsschalldämpfer für einen Gaskanal sind Hohlräume
an den Kanal angeschlossen, die gegen den Kanal durch Platten oder Folien mit bestimmtem
Strömungswiderstand abgegrenzt sind. Die Hohlräume selbst brauchen keinerlei Schluckstoff
zu enthalten. Schluckstoff im Hohlraum wirkt sich sogar insofern nachteilig aus,
als er der erwünschten Konzentration des Strömungswiderstandes an der Oberfläche
der Kammer entgegenwirkt. Die Dimensionen der Kammern müssen kleiner sein als die
Wellenlänge des zu dämpfenden Schalles. Infolge der breitbandigen Wirksamkeit der
Relaxationsdämpfung können jedoch alle Kammern gleiche Dimensionen haben. Zweck
dieser Kammertrennwände ist lediglich die Unterbindung einer Schallausbreitung parallel
zum Kanal in den Kammern. Eine Abstimmung der Kammergrößen auf bestimmte Frequenzen
ist nicht erforderlich. Strömungswiderstand R der Platten oder Folien und Federung
F des Luftvolumens der Kammern sind
mit der unteren Grenzfrequenz
f9 der Dämpfung verknüpft durch die Beziehung
Diese Beziehung bedingt m der Regel erheblich höhere Strömungswiderstände als die
derAuskleidung bisher üblicher Absorptionsdämpfer.
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Erfindungsgemäß weisen die die Kammern vom Strömungskanal trennenden
Wände, Flächen od. dgl. Strömungswiderstände auf, die der Formel
genügen, und diese Kammer ist in Richtung der Strömungskanalachse kleiner als die
halbe Schallwellenlänge der höchsten zu dämpfenden Frequenz.
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Nach der bekannten Theorie der Relaxationsdämpfung erreicht die Druckdifferenz
zwischen Kanal und angeschlossenem Volumen und damit auch der Wechselfluß durch
den Strömungswiderstand hindurch ein Maximum, wenn die Zeitkonstante ,r des angeschlossenen
Dämpfungsgliedes, die hier durch das Produkt aus Strömungswiderstand R der Trennwand
und Federung F des Volumens gegeben ist, gleich der reziproken Kreisfrequenz des
zu dämpfenden Schalles ist.
Bei sehr tiefen Frequenzen (w < 1/T) sind die Drücke im Kanal und den Kammern
praktisch in Phase, und die Dämpfung ist gering. Bei hohen Frequenzen (w > 1/T)
ist die Dämpfung ebenfalls klein, da sich dann die Druckänderungen im Kanal im angeschlossenen
Volumen praktisch nicht mehr bemerkbar machen. Die Rechnung zeigt, daß die Dämpfung
pro Wellenlänge, die durch einen Relaxationsmechanismus erzeugt wird, zunächst linear
mit der Frequenz ansteigt, dann bei der Frequenz (wr = 1/-r) ein Maximum
erreicht und mit weitersteigender Frequenz wieder linear abnimmt.
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In der Praxis ist jedoch nicht die Dämpfung pro Wellenlänge, sondern
die Dämpfung pro Längeneinheit eines Schalldämpfers interessant. Da die Wellenlänge
mit zunehmender Frequenz linear abnimmt, folgt, daß die Dämpfung eines Relaxationsschalldämpfers,
bezogen auf die Längeneinheit, zunächst mit dem Quadrat der Frequenz ansteigt und
dann einen konstanten Wert erreicht, der unabhängig von der Frequenz bestehen bleibt,
solange die Kanalbreite und die lineare Ausdehnung der angeschlossenen Volumina
in Richtung der Kanalachse klein gegen die Wellenlänge sind.
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Schalldämpfer dieser Art haben den Vorteil, daß sie leicht berechenbar
sind und daß keine Mindestforderungen an die Größe bzw. Tiefe der angeschlossenen
Volumina gestellt werden müssen. Wesentlich ist nur das Produkt RF, d. h., man kann
den gleichen Effekt mit Volumina geringerer Tiefe und damit kleinerer Federung F
durch Wahl eines entsprechend größeren Strömungswiderstandes R erzielen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung und den Ansprüchen. Es
bedeutet Fig. 1 einen Kanal mit einer angeschlossenen Kammer, Fig. 2 berechnete
Dämpfungskurven für zwei verschiedene Querschnittsverhältnisse Q, Fig. 3 einen Kanal,
in dem mehrere Kammern angeordnet sind, und Fig. 4 ein Beispiel dafür, daß die angeschlossenen
Kammern eine Leitung umschließen.
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In einem Kapall ist eine entsprechende Erweiterung 2 vorgesehen, in
der eine etwa die Hälfte des Kanalquerschnittes ausfüllende, angeschlossene Kammer
3 angeordnet ist. In Richtung der Strömung, also etwa senkrecht zur Kanalachse,
ist die angeschlossene Kammer 3 durch luftdichte Wände 5 unterteilt, deren Abstand
bei der höchsten noch zu dämpfenden Frequenz klein gegen die Wellenlänge sein muß.
Die angeschlossene Kammer 3 ist gegen den Kanal 1 durch poröse Platten
4 abgegrenzt. Der Strömungswiderstand errechnet sich in dem vorliegenden
Fall aus der Formel
wobei co die Schallgeschwindigkeit im Kanal, d die Tiefe der zusätzlichen Kammer
und wo das 2 n-fache der tiefsten, noch zu dämpfenden Frequenz ist. Man erhält dann
R als Vielfaches des Wellenwiderstandes des Gases (o co). Für eine Kammertiefe von
d = 4 cm und wo = 1000 (160 Hz) ergibt sich z. B. ein Strömungswiderstand
von 17 Q co, ein Wert, der sehr viel höher liegt als der der bei bisher üblichen
Absorptionsschalldämpfern verwendeten Strömungswiderstände.
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Die Dämpfung pro Meter eines solchen Schalldämpfers hängt dann lediglich
noch von der Größe des freien Querschnittes ab, d. h. vom Verhältnis des Querschnittes
des Kanals 1 zu dem der Kammer 3 (s. Fig. 1).
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In Fig.2 sind zwei Dämpfungskurven für verschiedene Querschnittsverhältnisse
Q, nämlich für Q = 33 bzw. 30% dargestellt. Es zeigt sich, daß in beiden Fällen
die Dämpfung über einen großen Bereich gleich groß ist.
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Eine Anordnung mehrerer angeschlossener entsprechender Kammern 3'
zeigt Fig. 3, wo in einer entsprechenden Quer-Erweiterung 2 des Kanals 1 vier angeschlossene
Kammern 3' vorgesehen sind, die im einzelnen so ausgebildet sind, wie dies bezüglich
der Ausführungsform bei Fig. 1 beschrieben wurde.
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Eine andere Baumöglichkeit zeigt Fig. 4, wo der eigentliche Kanal
1 aus einem porösen Rohr 6 besteht, welches z. B. aus gebranntem Ton oder Porenbeton
hergestellt sein kann und den für den betreffenden Zweck erforderlichen Strömungswiderstand
aufweist. Die angeschlossenen Kammern 3" ergeben sich durch den Ringraum zwischen
dem Rohr 6 und einem konzentrisch angeordneten dichten Rohr 7. Das Rohr 7
kann gegebenenfalls auch quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben. Die
auf diese Art angeschlossenen Kammern 3" sind durch ringförmige, luftdichte Trennwände
8 mehrfach unterteilt. Derartige Rohre können mit Vorteil zur Dämpfung der Schallausbreitung
entlang von Abgaskaminen Verwendung finden, wodurch man z. B. die Schalldämmung
zwischen übereinanderliegenden Badezimmern von Wohnhäusern ganz beträchtlich verbessern
kann. Natürlich können derartige Rohre in gleicher oder ähnlicher Anordnung
auch
noch für eine Anzahl anderer Zwecke verwendet werden, so z. B. auch als Auspuffschalldämpfer
für Kolbenmotoren.