DE3807128A1

DE3807128A1 - Schalldaempfendes wandelement

Info

Publication number: DE3807128A1
Application number: DE19883807128
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Ackermann; Helmut Prof Dr Ing Fuchs; Andreas Dipl Ing Jacobs; Norbert Rambausek; Heinz Dipl Ing Wieland
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Wilhelm Gebhardt GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1988-03-04
Publication date: 1989-09-14
Also published as: EP0402423A1; AU3189489A; WO1989008215A1

Description

Die Erfindung betrifft ein schalldämpfendes Wandelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie die Verwendung dieses Wandelementes nach den Ansprüchen 15-19.

Stand der Technik

Die Wände von Behältnissen, in denen eine turbulente Strömung geführt wird, z.B. von Ventilator-Gehäusen oder Lüftungskanälen, werden durch die Strömung sowohl statisch (stationäre Unter- oder Überdrucke gegenüber dem Außenraum) als auch dynamisch (instationäre Druckschwankungen) belastet. Für ihre Dauerhaltbarkeit ist es deshalb erforderlich, sie aus entsprechend dickem, stabilem Material auszuführen. Um die höchst mögliche Steifigkeit bei geringstem Gewicht zu erreichen, hat sich im Fahrzeug- und Flugzeugbau eine Bauweise bewährt, bei der die Wände aus zwei relativ dünnen Schalen bestehen, die beidseitig an einer wabenförmigen Raster-Struktur angebracht (z.B. aufgeklebt) sind (s. Fig. 1) .

Damit die Schallwellen im Innern der Gehäuse und Kanäle nicht zu stark in die Umgebung abgestrahlt werden, ist es häufig notwendig, eine zweite (nichttragende) Wandschale außen anzubringen, die mit der ersten (tragenden) keine oder eine möglichst weiche Verbindung hat. Der Luftzwischenraum wird i.a. mit porösem Material 1 locker ausgefüllt (s. Fig. 2).

Um schließlich die Schallausbreitung im Innern der Gehäuse und Kanäle zu bedämpfen, damit die Geräusche der Strömung, insbesondere von den Strömungsmaschinen herrührend, auch nicht über irgendwelche Öffnungen (Lufteinlässe und -auslässe) zu stark abgestrahlt werden, ist es üblich, die Wände 2 von Strömungskanälen von innen mit Schallabsorbern auszukleiden. Hierfür kommen z.B. wiederum poröse Materialien (s. Fig. 3a) oder Membran-Absorber entsprechend der DE-OS 35 04 208 in Frage. Letztere können entweder als sogenannte Rand-Kulissen an den Wänden direkt angebracht (s. Fig. 3b) oder als Mittel-Kulisse in die Kanäle eingestellt werden: eine beidseitig absorbierende, unsymmetrisch aufgebaute Kulisse ist in Fig. 3c dargestellt.

Will man alle drei Forderungen gleichzeitig erfüllen,

(a) konstruktive Versteifung
(b) schalldämmende Ummantelung
(c) schalldämpfende Auskleidung

der Wände, insbesondere derjenigen der Gehäuse der schallerzeugenden Strömungsmaschinen (Ventilatoren, Gebläse, Pumpen) selbst, so erfordert dies in konventioneller Bauweise

- zusätzlichen Raumbedarf,
- höheren Materialaufwand,
- vergrößerte Wandgewichte,

so daß insbesondere die Schallschutz-Maßnahmen ganz erhebliche Zusatzkosten verursachen.

Die innen eingebauten Absorber müssen außerdem denselben statischen und dynamischen Belastungen durch die Strömung wie die Wände standhalten. Die Mineralwolle in Fig. 3a muß z.B. durch geeignete Abdeckungen 3 (Folien, Vliese) gegen Austragung geschützt werden, so daß das für ihre Wirksamkeit notwendige Eindringen der Schallwellen dadurch verhindert oder zumindest stark vermindert wird. Die Abdeck-Membranen 4 in Fig. 3b und 3c können durch die Strömung so stark gegen die Loch-Membranen 5 gedrückt werden, so daß ihre zur Schalldämpfung notwendigen Schwingungen im Zusammenhang mit der Luftschicht zwischen beiden Membranen und dem Luftpfropfen in den Löchern 6 nicht mehr anregbar sind und damit ihre Wirksamkeit zerstört oder zumindest wesentlich herabgesetzt wird. Dynamische Strömungskräfte, z.B. im Bereich von Strömungsablösungen und sogenannten Totwasser-Gebieten, können außerdem die relativ dünnen (typischerweise 0,075-0,3 mm) Membranen zum instationären Ausbeulen, Einbeulen und Flattern (insbesondere auch bei Frequenzen außerhalb des Dämpfungsbereichs, für welche sie ausgelegt wurden) bringen. Dies kann zum einen eine ganz und gar unerwünschte Schallabstrahlung von den eigentlich zur Lärmminderung eingesetzten Membran-Absorbern (vor allem bei Frequenzen oberhalb ihres Auslegungsbereichs) zur Folge haben. Diese Verformungen mit großer Amplitude (vor allem bei Frequenzen unterhalb ihres Auslegungsbereiches) können schließlich nach längerer derartiger Belastung, insbesondere im Bereich der Stege, an denen die Membranen befestigt werden, zum Abreißen und zu ihrer völligen Zerstörung führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben dargelegten Nachteile von Membranabsorbern in Wandelelementen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wandelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Neue Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Wandelemente sind in den Ansprüchen ... angegeben.

Bezüglich der Ausbildung des Membranabsorbers wird ausdrücklich Bezug genommen auf DE-OS 35 04 208 sowie die korrespondierende, ausführlichere Anmeldung PCT/EP 86/0039 bzw. Europäische Anmeldung 8 69 01 369.8 und auf den gesamten Offenbarungsgehalt dieser beiden Anmeldungen.

Gegenstand der Erfindung

Die Nachteile herkömmlicher Schallabsorber für den Einsatz als Wand-Auskleidungen in Bereichen stark instationärer (turbulenter) Strömungen,

- Raumbedarf,
- Materialaufwand,
- Gewichtserhöhung,
- Druckverlust,
- Funktionsbeeinträchtigung,
- Eigengeräusch,
- Dauerhaltbarkeit,

wie sie im Abschnitt zum Stand der Technik angedeutet wurden, lassen sich zumindest teilweise mit dem erfindungsgemäßen Schall dämpfenden Wandelement vermeiden.

1. Der hauptsächliche Erfindungsgedanke ist es, den Schallabsorber selbst zum tragenden Konstruktionselement für strömungsbegrenzende Wände oder Berandungen jeglicher Art zu machen. Hierfür eignet sich der Membran-Absorber mit seiner Waben-Struktur deshalb besonders gut, weil diese aus schalltechnischer Sicht beliebig starr und steif und deshalb auch den jeweiligen statischen und dynamischen Anforderungen des Einzelfalles entsprechend ausgeführt werden kann. Der Schallabsorber kann so ganz oder teilweise die Strömungsberandung, z.B. Gehäuse- oder Kanalwände, ersetzen, also die Strömungsführung selbst übernehmen. Der zur Verfügung stehende Raum wird so optimal genutzt, der zusätzliche Materialbedarf beschränkt sich auf die Loch und Abdeck-Membran, die kaum das Gewicht der Anlage erhöhen, und die Schallschutzmaßnahme erfordert gar keinen zusätzlichen Druckverlust. Dieser läßt sich sogar durch strömungsgünstige Ausformungen der die Strömung führenden Membranen noch senken. So wird auch die Eigengeräusch-Erzeugung der Schallabsorber weitgehend vermieden, das Strömungsgeräusch u.U. sogar nachhaltig reduziert.
2. Besonders vorteilhaft ist es, die in Strömungs-Kanälen und Maschinen-Gehäusen vorhandenen Hohlräume, Ecken und Aussparungen als Kammern für die Membran-Absorber nach DE-AS 35 04 208, wie z.B. in Fig. 4a für einen 90°-Kanal-Bogen und in Fig. 4b für ein Radial-Ventilator-Gehäuse nur dem Prinzip nach skizziert, auszunuten. Der in Fig. 4 angedeutete zusätzliche Raumbedarf bedeutet nicht wirklich einen Nachteil, weil die Form der Gehäuse und der Umlenkung nur aus praktischen Erwägungen so wie im ursprünglichen Zustand gezeichnet gewählt wurde. Die Absorber-Kammern verlangen bei Installtion und Montage kaum zusätzlich Platz oder Gewicht. Die Anbringung der Absorber genau dort, wo die Schallerzeugung als instationäre Wechselwirkung zwischen turbulenter Strömung und Strömungsberandung primär stattfindet, kann nicht nur notwendige Schalldämpfer in den angeschlossenen Kanälen überflüssig machen: Da die schwingfähig gehaltenen Membranen anstelle starrer Strömungsberandungen gerade auf den Frequenzbereich der stärksten Schallanregung (z.B. Drehklang der Ventilatoren) abgestimmt werden können, vermindern sie durch ihre Nachgiebigkeit die Wechselwirkung Strömung - Wand und damit die Schallanregung am Ort ihrer Entstehung von vornherein.
2a. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten ist es von Vorteil, die Abdeck- und die Lochmembran im Bereich der Stege zumindest bereichsweise miteinander zu verbinden (16).
3. Um die Abdeck-Membran (4) z.B. in Ablösungsgebieten hinter Strömungsumlenkungen als Strömungsberandung auszubilden, ist es weiterhin günstig, die mit der Strömung in direktem Kontakt stehende Abdeck-Membran zusätzlich mit einer weichen Schicht (z.B. aus feinporigem Weichschaum) zu belegen. Dadurch kann die o.g. instationäre Wechselwirkung weiter "abgefedert", d.h. abgebaut, werden. Außerdem kann dieser zusätzliche Belag (s. Fig. 5) die Flatter-Anregung der Abdeck-Membran reduzieren, bedämpfen und dadurch die Eigengeräusch-Erzeugung weiter reduzieren.
4. Bei manchen Strömungsmaschinen (z. B. Ventilatoren nicht zu großer Leistung) kann es vorteilhaft sein, die Abdeck-Membranen ganz oder teilweise durch eine feinporige Weichschaum-Matte zu ersetzen, die auf der der Strömung zugewandten Seite über die ganze Schichtdicke offenporig gehalten, aber auf der der Loch-Membran zugewandten Seite verhautet ist, so daß auch mit einer derart ausgebildeten Abdeckmembran (4) die Kammern der Membran-Absorber gegenüber dem Fluid in den angrenzenden Strömungskanälen hermetisch abgeschlossen bleiben. Eine solche Abdeck-Membran kann nicht nur helfen, das Eigengeräusch zu reduzieren. Sie kann darüber hinaus auch bei Bedarf die Dämpfung des Schwingsystems, bestehend aus den Membranen, dem Luftkissen in den Kammern sowie den Luftschichten dazwischen, erhöhen.
Die Maßnahmen nach 3 und 4 haben darüberhinaus die Wirkung, daß auch in einem Frequenzbereich auf den die Membranabsorber gar nicht abgestimmt worden sind, eine zusätzliche Dämpfung möglich ist, z.B. oberhalb 1000 Hz.
Diese Maßnahmen nach 3 und 4 sind andererseits auch geeignet, um bei Frequenzen unterhalb des Abstimmbereiches die instationäre Wechselwirkung zwischen Strömung und Berandung und damit die Schallanregung am Ort ihrer Entstehung zu vermindern.
5. Bei gewissen Strömungsmitteln, die mit Fremdstoffen, z.B. Staub, Aerosolen, Fett u.ä., belastet sind, kann es vorteilhaft sein, zwischen den Loch-Membranen, die an den Stegen der Waben-Struktur befestigt sind, und den Abdeck-Membranen nach Fig. 6 im Bereich dieser Stege je nach Strömungsbeaufschlagung mehr oder weniger weiche Streifen (14), z.B. aus Weichschaum (sogenanntem Moosgummi) oder anderen dauerelastischen Stoffen anzubringen.
Nach den Maßnahmen 3-5 kann auf diese Weise einer akustischen Funktionsbeeinträchtigung der Membran-Absorber durch Strömungsdruck auf die Abdeck-Membranen entgegenge wirkt werden. Außerdem läßt sich durch derartige weiche Abstands-Streifen eine ähnliche Bedämpfung der verschie denen Schwingungsformen erreichen wie durch die Maßnahmen 3 und 4.
6. Um die Standzeiten der Abdeckmembranen und der Lochmembranen zu erhöhen, kann man diese im Bereich der Stege zumindest teilweise durch Unterleg-Streifen 15, 15 a nach Fig. 7 verstärken. Durch diese Maßnahme können die Abdeck- und Lochmembranen im Bereich der Stege, wo sie akustisch relativ wenig aktiviert, aber durch die instationäre Strömungskräfte stark beansprucht werden, so versteift werden, daß ihre akustischen Eigenschaften im Rahmen des oben beschriebenen Schwingsystems erhalten bleiben, aber dennoch ihre Dauerhaltbarkeit erhöht wird.
7. Eine Möglichkeit die Strömungsberandung bei hoher Beanspruchung auszubilden, besteht darin, die Loch-Membranen an den Stegen der Waben-Struktur mit Hilfe eines dauerelastischen Kleb- bzw. Dichtstoffes (19) anstelle der versteifenden Streifen nach Fig. 7 zu befestigen, so daß einerseits die Kammern der Waben-Struktur gegeneinander abgedichtet sind, andererseits aber eine gewisse Nachgiebigkeit gegenüber den Druckschwankungen der Strömung erreicht wird (vgl. Fig. 8).
8. Fertigungstechnisch kann es von Vorteil sein, anstelle der durchgehenden, im Regelfall über vielen Kammern liegenden Lochmembranen streifenförmige Innenmembranen 17 vorzusehen, zwischen denen eine schlitzförmige Öffnung 18 verbleibt. Der Schlitz 18 muß nicht parallel zu den Stegen, sondern kann auch schräg zu diesen verlaufen. Dadurch läßt sich das Schwingsystem, das der akustischen Wirkung der Membran-Absorber zugrundeliegt, bei durch die Kanal- oder Gehäuse-Geometrie vorgegebener Kammer-Größe in noch weiteren Grenzen variiieren. Die streifenförmig ausgeführten Membranen 17 (s. Fig. 9) lassen sich u.U. preisgünstiger herstellen, insbesondere wenn diese aus hochfestem Material, z.B. Edelstahl, hergestellt werden.

Wie im vorherigen Abschnitt dargelegt, ist es notwendig bei warme oder heiße Strömungsmittel führenden Strömungsmittelkanälen die Abdeckmembran (4) aus hochfestem und / oder temperaturfestem Material zu machen. Die Abdeckmembran kann in solchen Strömungsmaschinen aus Metall oder einem auch bei höherer Temperatur beständigem Material, z. B. Kunststoff oder beschichteten Textilien (aus Kunstfasern) bestehen.

Gemäß Fig. 4c sollen die Membranabsorber mit ihrer äußeren Abdeckmembran die innere Kontur des Spiralgehäuses nachbilden; die Rückwand 8 der Kammern wird dann durch die äußere Gehäuseschale gebildet. Deren Form richtet sich nach dem erforderlichen Volumen des für die Absorption abgestimmten Membranabsorbers. Da größere Ventilatoren ihr Geräuschmaximum tendenziell bei tieferen Frequenzen haben, können die Membranabsorber günstig u.U. in bereits bestehende Gehäuse integriert werden und die Membranabsorber deshalb in etwa geometrisch ähnlich wie die bisher üblichen Ventilatorgehäuse ausgelegt werden, um eine jeweils optimale Wirkung der Absorption zu erzielen.

Gemäß Anspruch 14 kann es weiterhin vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Wandelement gleichzeitig auch als Schalldämmelement für tiefe und mittlere Frequenzen zu optimieren, so daß die Schallübertragung aus dem Strömungsmittel in die Umgebung vermindert wird.

Claims

1. Schalldämpfendes Wandelement zur Dämpfung der sich in Strö mungsmittelkanälen im Strömungsmittel ausbreitenden Druck wellen, das aus Hohlräume bildenden Kammern besteht, die auf einer Seite durch eine zu Schwingungen im Hörfrequenzbereich anregbare Abdeckmembran begrenzt sind, wobei im Inneren der Kammer eine zu der Abdeckmembran in einem geringen Abstand angeordnete mit einem Loch versehene Lochmembran vorgesehen ist, die zusammen einen Membranabsorber bilden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens teilweise

a) mindestens eine Seite (7, 8, 9, 10, 11,) der Kammern (4, 7-11) als tragende Wand und
b) die Abdeckmembran (4) als die das Strömungsmittel führende Strömungsberandung (12) einer Strömungsmaschine ausgebildet ist.

2. Wandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (8) als tragende Wand ausgebildet ist.

3. Wandelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekeezeichnet, daß die Kammern als tragende Wabenstruktur ausgebildet sind.

4. Wandelement nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume, Ecken, Zwischenräume und Aussparungen der Strömungsmaschine mit tragenden und / oder nicht tragenden Kammern ausgebildet sind.

5. Wandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmembran (4) in ihrer Dicke derart ausgebildet ist, daß sie zusammen mit der Dicke der Lochmembran, der Lochgeometrie und dem Kammervolumen auf den Frequenzbereich der stärksten Schallanregung, der Schall quelle in der Strömungsmaschine abgestimmt ist.

6. Wandelement nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmembran (4) mit einer weichen Schicht, z. B. aus feinporigem Schaumgummi oder PVC belegbar ist ( Fig. 5).

7. Wandelement nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmembran aus einer Weichschaum-Matte besteht, die auf der der Strömung zugewandten Seite über die ganze Schichtdicke offenporig, und auf der der Loch-Membran (5) zugewandten Seite verhautet ausgebildet ist.

8. Wandelement nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Abdeck- und der Lochmembran (4, 5) im Bereich der Stege (13) der Kammern weiche Streifen (14), z. B. aus Moosgummi, angeordnet sind.

9. Wandelement nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeck- und Lochmembran (4, 5) im Bereich der Stege (13) verstärkt (15, 15 a) ist.

10. Wandelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus Unterlegstreifen (15, 15 a) besteht, die mit der Abdeck- bzw. Lochmembran bzw. den Stegen verklebt oder verschweißt sind.

11. Wandelement nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmembran mit den Stegen (13) elastisch mittels eines Kleb- oder Dichtstoffes (19) verbindbar ist.

12. Wandelement nach den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmembran durch schwingfähige Streifen (17) er setzt sind, die im Bereich der Mitte Schlitze (18) freilassen.

13. Wandelement nach den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmembran (4) wenigstens teilweise kleine Öffnungen aufweisen, die einen Druckausgleich zwischen den Kammern und dem Strömungskanal ermöglichen.

14. Wandelement nach den Ansprüchen 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß es gleichzeitig als Dämmelement, für tiefe und mittlere Frequenzen optimiert, für die Schallübertragung aus dem Strömungsmittel in die Umgebung ausgebildet ist.

15. Verwendung von Membranabsorbern nach den Ansprüchen 1-14 als tragende Konstruktionselemente in Strö mungsmaschinen.

16. Verwendung von Membranabsorbern nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine ein Ventilator, Kompressor oder eine Pumpe ist.

17. Verwendung von Membranabsorbern nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine eine Turbine ist.

18. Verwendung von Membranabsorbern nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine eine Mantelschraube ist.

19. Verwendung von Membranabsorbern nach den Ansprüchen 1-14, als tragende Konstruktionselemente in Drosseleinrichtungen z.B. Regelventilen.