DE60118221T2

DE60118221T2 - Schallabsorptionsvorrichtung

Info

Publication number: DE60118221T2
Application number: DE60118221T
Authority: DE
Inventors: Mats Abom; Claes-Göran Johansson
Original assignee: Flaekt Woods AB
Current assignee: Flaekt Woods AB
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: WO2002023099A1; NO321542B1; NO20031212L; US20040099477A1; EP1319156A1; DE60118221D1; ATE321248T1; AU2001288177A1; NO20031212D0; SE0003349D0; EP1319156B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Absorptionsmaterial für eine dissipative Absorption von Schall. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Schalldämpfer, in dem das Absorptionsmaterial eingebaut ist, und ein Verfahren zur Schallminderung in einem System zum Transport eines gasförmigen Mediums. In einer ersten Anwendung der Erfindung weist ein solches Transportsystem eine Lüftungsanlage auf. In einer zweiten Anwendung weist das Gastransportsystem eine Abgasanlage und speziell eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, z. B. in einem Schiff, auf. In beiden Anwendungen betreffen die Vorrichtung und das Verfahren einen Kanal von der Wand oder dem Auslaß, aus dem Lärm erzeugt wird, der akustischen Anforderungen unterliegen kann. Vorteilhaft anwendbar ist die Erfindung aber auch auf andere längliche Gastransportsysteme wie etwa in Abgasanlagen, z. B. in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, oder in Rauchgasreinigungsvorrichtungen für Anlagen z. B. zur elektrischen Stromerzeugung.
HINTERGRUND DER TECHNIK
Unter Schall versteht man eine physikalische Erscheinung, die Hörempfindungen hervorruft. Gewöhnlich betrachtet man Schall als Wellenbewegung in einem gasförmigen Medium. Gleichwohl kann Schall auch in anderen Medien transportiert werden, z. B. Flüssigkeiten und Feststoffen. In Luft breitet sich der Schall als Längswellenbewegung mit einer Geschwindigkeit von etwa 340 m/s aus. Allerdings ist die Geschwindigkeit von der Temperatur des Mediums abhängig. Zum hörbaren Schall gehören Frequenzen von etwa 20 Hz bis etwa 20.000 Hz. Die Wellenlänge des hörbaren Schalls in Luft mit Normaltemperatur variiert somit von der Größenordnung von 3 m bei tiefen Frequenzen (etwa 100 Hz), 30 cm für Schall mit mittleren Frequenzen (etwa 1000 Hz) und 3 cm für Schall mit hohen Frequen zen (etwa 10.000 Hz). Zudem kann der Schall sowohl mit der Amplitude (Schallintensität) als auch mit der Zeit stark variieren.
In einem traditionellen Absorptionsmaterial wird Schallenergie durch Strömungswiderstand des Absorptionsmaterials in Wärme umgewandelt. Ein solches Absorptionsmaterial zeigt im wesentlichen resistive (Widerstands-)Dämpfung. Andere Begriffe dafür sind dissipative oder viskose Dämpfung. Das Verhältnis der Dicke des Absorptionsmaterials zur Länge der Schallwellen, die zum Schall gehören, ist erwiesenermaßen entscheidend für die Dämpfung bei tieferen Frequenzen in einem solchen herkömmlichen Absorptionsmaterial. Eine zufriedenstellende Dämpfung erreicht man an diesen Absorptionsmaterialien für Schallfrequenzen, bei denen die Dicke des Absorptionsmaterials größer als ein Viertel einer Wellenlänge des Schalls ist. Danach sinken die schalldämpfenden Eigenschaften drastisch für Schall mit tieferen Frequenzen, der eine größere Wellenlänge hat. Selbst bei einem Verhältnis von Wellenlänge zu Absorptionsmaterialdicke von etwa 1/8 ist die Absorption nur halb so groß, und bei einem Verhältnis von 1/16 beträgt sie nur 20% der Absorption, die bei einem Verhältnis von 1/4 erhalten wird. Da ein bestimmtes Absorptionsvermögen noch verbleibt, kann man in vielen Fällen eine zufriedenstellende Absorption durch Vergrößern der Oberfläche des gesamten Absorptionsmaterials erhalten.
Bekannte Materialien zur Herstellung eines resistiven Absorptionsmaterials sind Mineralwolle und Glaswolle. Gewöhnlich wird die Wolle durch einen Kleber festgehalten, was eine homogene Struktur im Absorptionsmaterial bewirkt. Unter Normalbedingungen ist ein solches Absorptionsmaterial unter mehreren Gesichtspunkten sehr gut. In Umgebungen mit Hygieneanforderungen sind aber diese Absorptionsmaterialien weniger geeignet, da sich Bakterien im Absorptionsmaterial entwickeln oder Fasern lösen können. Eine verbreitete Forderung in solchen Hygieneumgebungen lautet, daß ein Absorptionsmaterial spülfähig (englisch flushed) sein muß. In diesem Kontext hat sich das bekannte Absorptionsmaterial als weniger beständig erwiesen und kann Feuchtigkeit über lange Zeit zurückhalten.
Nach wiederholtem Spülen wird das Absorptionsmaterial allmählich aufgelöst. Die bekannte Wolle ist aus spröden Fasern aufgebaut, wobei man in diesem Fall eine weniger gute mechanische Festigkeit im Absorptionsmaterial erhält. Bei starken Schwingungen zersetzt sich die Struktur im Laufe der Zeit.
Marktüblich ist eine große Anzahl poröser Absorptionsmaterialien, und ihre schallschluckenden Eigenschaften sind durch Messungen bekannt. Gekennzeichnet sind die porösen Absorptionsmaterialien gewöhnlich durch Dicke und Dichte. Ein Problem bei der Herstellung kreisförmiger Dämpfer z. B. für Lüftungsanlagen besteht darin, daß das Absorptionsmaterial, das gewöhnlich flach hergestellt ist, gebogen werden muß, damit es sich in den Dämpfer einpaßt. Je nach Ausgangsdicke des Absorptionsmaterials hat es eine variierende Dichte in der kreisförmigen Gestaltung. Auf der Innenseite des Schalldämpfers ist die Dichte hoch, und es kommt zu Faltungsneigungen. Auf der Außenseite entstehen mitunter Risse aufgrund des starken Biegens.
In Umgebungen mit hohen Gasgeschwindigkeiten ist das bekannte Absorptionsmaterial ebenfalls weniger gut. Ein über die Oberfläche strömendes Gas reißt Fasern und Teilchen aus dem Absorptionsmaterial mit sich. In der Folge landen diese in Kanälen und Räumen, wo sie einen negativen Einfluß auf die Umgebung haben. Außerdem führen die abgerissenen Teilchen dazu, daß das Absorptionsmaterial allmählich abgetragen wird und schließlich völlig verschwindet. In diesem Zusammenhang ist bekannt, das Absorptionsmaterial mit einer stabileren Schicht zu überziehen, z. B. aus dünnem Kunststoff oder mit einer perforierten Bahn. Diese Beschichtungen bedingen zusätzliche Abläufe bei der Herstellung, wodurch sie die Kosten in der Tendenz steigern.
Zur Minderung des Schalls, der z. B. aus der Öffnung einer Lüftungsanlage oder einer Abgasanlage abgestrahlt wird, ist bekannt, einen oder mehrere Schalldämpfer im Gaskanal der Anlage anzuordnen. Hierbei bezeichnet Schalldämpfer eine Vorrichtung, die Schallenergie verbrauchen kann. Dies kann durch Umwandeln der Schallenergie in eine andere Energieform geschehen, z. B. in Wärme.
Im folgenden bezeichnet "resistiver Dämpfer" eine Vorrichtung, die Schall in einem Gaskanal absorbieren kann, d. h., um die Schallenergie in eine andere Energieform umzuwandeln. "Dämpfer" bezeichnet im folgenden eine Vorrichtung, die Schall mindern kann, und "Dämpfung" bezeichnet die Eigenschaft der Schallminderung.
Eine typische Ausführungsform eines resistiven (Widerstands-) Dämpfers ist eine kreisförmige oder quadratische Röhre, deren Seiten, die der Gasströmung ausgesetzt sind, mit einem Absorptionsmaterial oder einem porösen Medium mit kleinen gekoppelten Hohlräumen beschichtet sind. Ein verbreiteter derartiger Schalldämpfer, der für eine Lüftungsanlage bestimmt ist, ist in der GB-A-2122256 beschrieben. Aus der US-A-2826261 ist ein weiterer resistiver Dämpfer bekannt, der für eine Abgasanlage bestimmt ist. Als Absorptionsmaterial kommt ein resistives Absorptionsmaterial der zuvor beschriebenen Art zum Einsatz. Das Absorptionsmaterial kann auch durch eine luftdurchlässige Oberflächenschicht geschützt sein, z. B. durch eine perforierte Bahn, um eine längere Lebensdauer und bessere mechanische Stabilität bei hohen Gasgeschwindigkeiten zu erzielen. Ein solcher resistiver Dämpfer hat eine schalldämpfende Eigenschaft, die einen breiten Frequenzbereich abdeckt. Abhängig ist die Dämpfung auch von der Dicke und dem Strömungswiderstand des Absorptionsmaterials, der freiliegenden Oberfläche des Absorptionsmaterials, einem etwaigen Oberflächenschutz, z. B. einer perforierten Bahn, und den Maßen des Dämpfers, z. B. seiner Länge und seinem Durchmesser.
Ein Problem beim traditionellen resistiven Dämpfer besteht somit darin, daß die Absorptionsschicht sehr dick hergestellt sein muß, um tiefe Frequenzen dämpfen zu können. Dies zieht einen großen Raum zur Unterbringung des Dämpfers nach sich. Ein weiteres Problem ist, daß ein herkömmlicher resistiver Schalldämpfer zu einem Druckabfall über den Dämpfer selbst führt. Dadurch kommt es zu einem erhöhten Widerstand gegen die Gasdurchleitung durch die Anlage. Um diese Druckzunahme zu kompensieren, wird oft die Querschnittfläche der Kanäle in der Anlage vergrößert. In diesem Kontext ist bekannt, daß die Absorption im oberen Frequenzregister des Schalls abnimmt. In bestimmten Fällen wird dies dadurch ausgeglichen, daß ein Schallabsorptionsmaterial in einem Mittelkörper im Schalldämpfer angeordnet wird. Dadurch steigt wiederum der Druckabfall über den Dämpfer. Ferner hängen die schalldämpfenden Eigenschaften davon ab, wo der Schalldämpfer in der Anlage plaziert ist. Oft zeigt sich, daß die Eigenschaften, die man in einem Labor, besonders bei tiefen Frequenzen erreicht und die in der Literatur beschrieben sind, in der Praxis selten realisiert werden. Dies führt häufig zu Überdimensionierung, um eine gewünschte Schalldämpfung mit hinreichender Sicherheit zu erzielen.
Ein weiterer bekannter Weg zur Minderung der Schallabstrahlung von einem Gastransportsystem ist, den Schall an der Ausbreitung im Kanal zu hindern. Dies läßt sich durch Anordnen eines reflektierenden Hindernisses im Gaskanal erreichen. Ein solches Hindernis erhält man durch Erzeugen eines Schalls, der zum Schall im Kanal entgegengesetzt ist, wodurch man Auslöschung erreicht. Eine solche Technik ist die aktive Schalldämpfung. Im Zusammenhang mit der aktiven Schalldämpfung wird ein Schall zugefügt, der in Gegenrichtung zum Schall gerichtet ist, der sich in einem Kanal ausbreitet. Dieser entgegengesetzt gerichtete Schall wird durch einen im Kanal plazierten Lautsprecher erzeugt. Allerdings sind steuerbare Bedingungen für ein aktives System erforderlich, damit es gut funktioniert.
Noch ein weiterer Weg zur Minderung der Schallabstrahlung von einem Gastransportsystem ist, ein passives Hindernis für eine sich in einem Kanal ausbreitende akustische Welle anzuordnen. Diese Art von Schalldämpfer verbraucht tatsächlich keinerlei Energie und wird gewöhnlich als "reaktiver Dämpfer" bezeichnet. Ein reaktiver Dämpfer arbeitet im wesentlichen nach zwei Grundsätzen. Die erste Art ist ein "Reflexionsdämpfer". Dieser weist eine Zunahme der Querschnittfläche auf, wodurch die Flächenvergrößerung zu einer Reflexionswelle führt, die sich in Gegenrichtung zur Ausbreitung des Schalls fortpflanzt. Die Funktion ist eine Breitbandfunktion. Bei der zweiten Art handelt es sich um einen "Resonanzdämp fer". Hierbei ist die Funktion eine Schmalbandfunktion und kann nahezu als Filter betrachtet werden, das Reintöne aus dem Schall beseitigt. Zum Erhalten einer maximalen Dämpfungswirkung muß die Öffnung eines Resonanzdämpfers in einem Druckmaximum des Schallfelds im Kanal plaziert sein. Dadurch reagiert der Resonanzdämpfer sehr empfindlich auf die Position im Kanal.
Ferner existiert eine große Anzahl von Vorrichtungen, mit denen die zuvor erwähnten Verfahren auf verschiedene Weise kombiniert werden. Allerdings besteht das Problem gewöhnlich darin, daß die verschiedenen Komponenten an Stellen enden, an denen sie nicht effektiv sind. Um die unvorhersehbaren Eigenschaften zu kompensieren, sind herkömmliche Schalldämpfersysteme daher oft stark überdimensioniert, was zu teuren, schweren und Platz beanspruchenden Anlagen mit großen Druckabfällen führt.
Schalldämpfervorrichtungen in Transportsystemen für Gas, in denen das Gas die Temperatur ändert, beinhalten weitere Komplikationen, da sich die Wellenlänge des Schalls mit der Temperatur ändert. Steigt z. B. die Temperatur des Gases von 20°C auf 900°C, erhöht sich die Schallgeschwindigkeit und somit die Wellenlänge auf das Doppelte. Ein Dämpfer, der bei Normaltemperatur gut arbeitet, leidet daher unter beeinträchtigten Eigenschaften, besonders bei tiefen Frequenzen, wenn das Gas erwärmt ist. Gewöhnlich führt dies dazu, daß schalldämpfende Vorrichtungen in Transportsystemen mit Heißgasen sehr sperrig werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel und Wege zur Realisierung eines Absorptionsmaterials vorzuschlagen, das gute Absorptionseigenschaften in einem breiten Frequenzbereich hat und das billig herzustellen ist. Es soll weniger Platz als bekannte Absorptionsmaterialien beanspruchen und auf Umgebungen mit Hygieneanforderungen anwendbar sein. Somit muß das Absorptionsmaterial spülfähig sein und darf keine abgerissenen Teilchen freisetzen. In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Absorptionsmaterial für Hygieneräume. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Trans portsystem für Gas mit mehreren Kanalteilstücken, z. B. Schalldämpfern, zu denen das Absorptionsmaterial gehört. In einem solchen Transportsystem soll das Absorptionsmaterial eine rationelle Schalldämpfung offerieren, ohne den Druckanstieg im Kanalsystem wesentlich zu erhöhen. Das Transportsystem soll einfacher sein, weniger Raum beanspruchen, eine kleine Querschnittfläche haben und billiger als entsprechende Systeme herzustellen sein, die nach dem Stand der Technik gestaltet sind. Das System soll ein geringeres Gewicht haben und einen kleineren Druckabfall und weniger Erzeugung von aerodynamischem Schall als herkömmliche Systeme zeigen. Insbesondere sollten diese Eigenschaften auch bei hohen Transportgeschwindigkeiten des Gases und bei unterschiedlichen Temperaturen des Gases gewahrt bleiben. Besonders bei hohen Geschwindigkeiten darf das System keine Umweltauswirkung oder Gesundheitsgefährdung beinhalten, z. B. Ausstoß abgerissener Fasern u. ä. Das zum System gehörige Absorptionsmaterial soll biegbar und drehbar und somit fähig sein, als Leitschaufel angeordnet zu werden. Außerdem soll das System einfach zu warten sein und austauschbare Teile aufweisen.
Erfindungsgemäß erreicht wird dies durch ein Absorptionsmaterial mit den Merkmalen von Anspruch 1, durch ein Transportsystem, das für ein gasförmiges Medium gestaltet ist, mit den Merkmalen von Anspruch 8 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 bzw. 16. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen in Zuordnung zu den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen beschrieben.
Schall breitet sich in einem Gas als Translationsbewegung aus, durch die Gasteilchen abwechselnd dicht und weniger dicht werden. Dadurch ergeben sich relative Druckmaxima und Druckminima. Genau diese relativen Druckänderungen werden mit einem Mikrofon gemessen oder vom Ohr wahrgenommen. Bringt man eine Schallquelle in einem Raum zum Schallen, entsteht ein Schallfeld, das durch die akustischen Grenzbedingungen verursacht ist, die den Raum kennzeichnen. Beispielsweise sind dies die Geometrie des Raums und die Absorptionseigenschaften der Oberflächen. Der Raum reagiert sozusagen auf die Schallquelle. Das Schallfeld ist aus schwingenden Gasteilchen auf gebaut, die sich in bestimmten Positionen sehr heftig bewegen, wogegen sie sich in anderen Positionen sehr wenig bewegen oder sogar stationär sind. In jenen Positionen, in denen die Teilchen stationär sind, ist der relative Luftdruck hoch, und in jenen Positionen, in denen die Geschwindigkeit der Teilchen groß ist, ist der relative Luftdruck niedrig. Für jede Schallfrequenz entsteht ein Muster, das in Abhängigkeit von den Grenzbedingungen des Raums und davon mehr oder weniger ausgeprägt ist, wie stark der schall ist, den die Quelle bei genau dieser Frequenz erzeugt. Im folgenden werden die o. g. Druckminima auch als Knoten bezeichnet.
Eine entscheidende Eigenschaft eines Schallabsorptionsmaterials ist der Strömungswiderstand durch das Absorptionsmaterial. Bestimmt wird dieser gewöhnlich durch den spezifischen Strömungswiderstand, der die Druckdifferenz über das Absorptionsmaterial dividiert durch das Produkt aus der Geschwindigkeit des durchströmenden Gases und der Dicke des Absorptionsmaterials ist. Den statischen Strömungswiderstand zu bestimmen ist einfach. In einem dynamischen Zustand unterliegt das Absorptionsmaterial aber auch einer Schwingungsbewegung der Gasteilchen. Außer daß sie zum rein resistiven Widerstand führt, resultiert diese überlagerte Bewegung auch in einem reaktiven Widerstand, der mit der Frequenz steigt. Zurückzuführen ist dies darauf, daß kleine Gaseinschlüsse, Massepfropfen, gebildet und im Absorptionsmaterial in Schwingung versetzt werden. Somit hängt der dynamische Strömungswiderstand von einem resistiven Teil und einem reaktiven Teil ab. Der resistive Strömungswiderstand läßt sich durch eine Kurve darstellen, die im wesentlichen den gleichen Strömungswiderstand über den gesamten Frequenzbereich hat, wogegen der reaktive Strömungswiderstand durch eine Kurve dargestellt wird, die mit der Frequenz ansteigt. Bei einer bestimmten Frequenz schneidet die reaktive Kurve die resistive Kurve. Unterhalb dieser Frequenz ist der Strömungswiderstand konstant, und oberhalb dieser Frequenz dominiert der reaktive Strömungswiderstand und steigt daher mit der Frequenz.
Erreicht ein Schall ein Absorptionsmaterial, dringt er in das Absorptionsmaterial ein und trifft auf einen Wider stand, der bewirkt, daß der Schall einen Teil seiner Energie verliert. Ist das Absorptionsmaterial weich, d. h., zeigt es wenig Widerstand, läuft der Schall relativ ungehindert durch. Ist aber das Absorptionsmaterial hart, d. h., zeigt es großen Widerstand, prallt der Schall zurück. Bei einer solchen Reflexion verliert der Schall nur einen kleinen Teil seiner Energie. Somit besteht die Frage darin, ein Absorptionsmaterial zu ermitteln, das ausreichend großen Widerstand offeriert, aber nicht so viel, daß der Schall zum größten Teil reflektiert wird.
Indem der spezifische Strömungswiderstand mit der Dicke des Absorptionsmaterials multipliziert und indem er durch das Produkt aus der Dichte des Gases und der Schallgeschwindigkeit im Gas dividiert wird, erhält man einen normierten Strömungswiderstand. Aus Experimenten ging hervor, daß der normierte Strömungswiderstand für ein gutes Absorptionsmaterial zwischen 1 und 2 liegen sollte. Übersteigt der Strömungswiderstand 2, wird ein Teil des Schalls reflektiert, wodurch dieser Teil keine Absorption erfährt. Ist der Strömungswiderstand kleiner als 1, durchläuft der größere Teil des Schalls das Absorptionsmaterial, wodurch nur ein kleiner Teil des Schalls absorbiert wird. Somit besteht eine vorrangige Aufgabe der Erfindung in der Herstellung eines Absorptionsmaterials, das über einen breiten Frequenzbereich einen normierten Strömungswiderstand zwischen ein halb und zwei hat. Besonders geeignet ist, daß der Strömungswiderstand zwischen eins und zwei liegt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Absorptionsmaterial mit einem rein resistiven Widerstand in diesen angegebenen Grenzen gelöst. Erfindungsgemäß zeigen sich diese Eigenschaften an einem Absorptionsmaterial, das durch gepackte lange Faserfäden aus Kunststoff, z. B. Polyester, hergestellt ist. Zweckmäßig ist ein solches Absorptionsmaterial als Matte hergestellt und braucht nur wenige Millimeter dick zu sein, damit der normierte Strömungswiderstand zwischen 1 und 2 liegt. Die langen Fasern können bei hohen Gasgeschwindigkeiten nicht abgerissen werden und sind auf der Oberfläche glatt, so daß keine Teilchen die Gas strömung begleiten. Die Fäden sind nicht spröde, sondern elastisch, was für ein dauerhaftes und formbares Absorptionsmaterial sorgt. Im Brandfall werden nur Kohlendioxid und Wasser aus einem Polyester gebildet, so daß dieses Absorptionsmaterial insgesamt umweltfreundlich ist. Das erfindungsgemäße Absorptionsmaterial ist vorteilhaft als leichte, biegbare Matte hergestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Absorptionsmaterial aus einer Polyesterwolle hergestellt, die zunächst zu einer dünnen Matte verdichtet und dann in der verdichteten Form befestigt wird. Zweckmäßig geschieht dies durch Erwärmen, wodurch die Fäden in der Wolle miteinander verschweißt werden. In dieser Ausführungsform ist es geeignet, die dünne Matte in Übereinstimmung mit der Anwendung zu formen, in die sie einzubringen ist. Die Matte wird auf geeignete Weise eben, gekrümmt, gebogen oder verdreht geformt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Absorptionsmaterial mit einem dünnen Abdeckfilm versehen, der Teilchen oder Bakterien daran hindert, in das Absorptionsmaterial einzudringen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Film durch Schweißen am Absorptionsmaterial befestigt. Vorteilhaft wird der Film am Absorptionsmaterial dann in einem Linien- oder Rautenmuster befestigt.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Kanal zum Transport eines Gases gelöst, wobei in den Kanal ein dünnes Absorptionsmaterial eingebracht ist, dessen normierter Strömungswiderstand größer als eins und kleiner als zwei ist. Das Absorptionsmaterial weist eine dünne Matte aus langen Fäden aus einem Material auf, das verformungsbeständig ist, z. B. Kunststoff. Zum erfindungsgemäßen Konzept gehören auch Fäden, die aus anderen Feststoffen gebildet sind, z. B. Metall. Die Dicke des Absorptionsmaterials sollte kleiner als etwa 5% der Querschnittfläche des Kanals sein. Durch eine solche kleine Einschränkung der Kanalfläche kommt es nur zu einer geringen Druckzunahme. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Matte mit einem Netz, z. B. aus Metall, verstärkt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Absorptionsmaterial länglich angeord net und durchdringt einen größeren Teil des Kanalsystems. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Absorptionsmaterial als Leitschaufel geformt, z. B. an Biegungen und absteigenden Abschnitten im Kanalsystem.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Absorptionsmaterial auch geeignet, in einem resistiven Dämpfer plaziert zu sein. In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein solcher Dämpfer in Kombination mit einem oder mehreren reaktiven Dämpfern angeordnet. In dieser Ausführungsform kann das Schallfeld im Kanal lokal gesteuert werden, und optimierte Dämpfungseigenschaften lassen sich erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 den spezifischen Strömungswiderstand eines erfindungsgemäßen Absorptionsmaterials als Funktion der Frequenz,
2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absorptionsmaterial,
3 die Absorption einiger Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Absorptionsmaterials als Funktion der Frequenz,
4 einen Querschnitt in Längsrichtung durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Systems zum Transport eines gasförmigen Mediums, und
5 alternative Querschnittformen eines teils eines erfindungsgemäßen Systems zum Transport eines gasförmigen Mediums.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie zuvor erwähnt, hat der dynamische Strömungswiderstand einen resistiven Teil und einen reaktiven Teil. Der resistive Teil des Widerstands ist eine viskose Dämpfung, die unabhängig von der Frequenz des Schalls ist. Der reaktive Teil ist masseabhängig und zeigt einen Widerstand, der mit der Frequenz zunimmt. Für den Großteil bekannter Absorptionsmaterialien dominiert der reaktive Widerstand im interessierenden Frequenzbereich, d. h. im Frequenzbereich, in dem eine gute Absorption angestrebt wird. Für diese Absorptionsmaterialien bestimmt somit der frequenzabhängige reaktive Strömungswiderstand die Absorptionseigenschaften. Da die Absorption mit zunehmendem Strömungswiderstand abnimmt, sinkt die Absorption im interessierenden Frequenzbereich. Aus Experimenten ging hervor, daß ein Großteil bekannter poröser Absorptionsmaterialien einen großen reaktiven Widerstand im Frequenzbereich hat, in dem Absorption erfolgen soll. Somit erfüllen die bekannten Absorptionsmaterialien nicht die Bedingung, daß der normierte Strömungswiderstand zwischen eins und zwei in einem breiten Frequenzbereich begrenzt ist.
1 zeigt den spezifischen Strömungswiderstand eines porösen Absorptionsmaterials als Funktion der Frequenz. Im Diagramm ist der resistive Strömungswiderstand mit z_res bezeichnet, und der reaktive Strömungswiderstand ist mit z_mass bezeichnet. Bei tieferen Frequenzen herrscht der resistive Strömungswiderstand vor. Bei höheren Frequenzen dominiert der reaktive Strömungswiderstand. Dies deutet darauf hin, daß es sehr schwierig ist, einen richtigen Ausgleich für ein Absorptionsmaterial zu finden, das gute Absorptionseigenschaften in einem breiten Frequenzbereich hat. In bekannten Absorptionsmaterialien findet der Übergang von einem resistiven zu einem reaktiven Strömungswiderstand normalerweise unterhalb oder im Frequenzbereich f_int statt, in dem eine gute Absorption erfolgen soll.
Ein poröses Absorptionsmaterial läßt sich als große Anzahl miteinander verbundener Kanäle mit einer charakteristischen Länge und einem charakteristischen Durchmesser betrachten. Diese Kanäle verlaufen in alle Richtungen im Absorptionsmaterial, und ihre Charakteristik wird durch die Dichte, Dicke und Faserstruktur des Absorptionsmaterials beeinflußt. Der resistive Strömungswiderstand ist proportional zur Viskosität des Gases und umgekehrt proportional zum Quadrat des charakteristischen Durchmessers. Dagegen ist der reaktive Strömungswiderstand proportional zur Frequenz, charakteristischen Länge und Dichte des Gases. Bei der Herstellung eines Absorptionsmaterials mit guten Eigenschaften im interessierenden Frequenzbereich muß somit der resistive Strömungswi derstand gemäß Pfeil A in 1 erhöht, der reaktive Widerstand gemäß Pfeil B verringert und der resistive Strömungswiderstand auf einen Wert zwischen ein halb und zwei, vorteilhaft zwischen eins und zwei, begrenzt werden.
Ein Absorptionsmaterial mit den gewünschten Eigenschaften erhält man erfindungsgemäß aus einer Wolle, die verdichtet und in ihrer verdichteten Form befestigt ist. Das Material kann Kunststoff, Metall o. ä. sein. Vorzugsweise ist die Wolle ein Polyester, das in seiner verdichteten Form durch Verschweißen oder Verschmelzen der Wollfäden befestigt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Wolle zwischen zwei gasdurchlässigen, steifen Schichten verpreßt, z. B. perforierten Bahnen. In einer zylindrischen Ausführungsform ist die Wolle auf einer steifen, perforierten Innenbahn angeordnet und durch eine perforierte Außenbahn mit einem einstellbaren Durchmesser verdichtet. Die Eigenschaften des so hergestellten Absorptionsmaterials sind für einen gewünschten Zweck einstellbar und optimierbar.
Beim Erwärmen eines Gases bewegen sich die Gasteilchen voneinander weg, während zugleich die Wärmebewegung zunimmt, wodurch die Dichte sinkt und die Viskosität steigt. Dies führt zu einer Erhöhung des resistiven Teils des Strömungswiderstands und zu einer Abnahme des reaktiven Teils. Im Diagramm von 1 ist dies durch die Pfeile A und B dargestellt. Ein Absorptionsmaterial, das bei Normaltemperatur weniger gute Absorptionseigenschaften hat, erhält daher bei höheren Temperaturen viel bessere Eigenschaften. Ein Absorptionsmaterial, das diese Eigenschaft hat, ist perforiertes Bahnmaterial. Zweckmäßig wird ein solches Absorptionsmaterial aus einer Bahn mit höchstens 1 mm Dicke mit einem Perforationsgrad unter 10% und mit Löchern hergestellt, die höchstens etwa 1 mm groß sind. Für eine Normaltemperatur müßten die Löcher kleiner als ein Zehntel Millimeter sein. Eine solche perforierte Bahn ist nur schwer und teuer herzustellen.
2 zeigt ein typisches erfindungsgemäßes Absorptionsmaterial. Es besteht aus einer dünnen Matte 1 aus langen elastischen Fasern, die sich in allen Richtungen in einem unregelmäßigen Muster kreuzen. Im dargestellten Beispiel sind die Fäden aus einem Kunststoff hergestellt, z. B. aus Polyester. Ein Vorteil dieses Materials ist, daß es sich im Brandfall zu Wasser und Kohlendioxid zersetzt. Möglich sind aber auch andere Materialien aus länglichen biegbaren Fäden oder Fasern. Außerdem zeigt die Zeichnung eine vorteilhafte Ausführungsform des Absorptionsmaterials, bei der eine dünne Folie 2 als Schutz vor der dünnen Matte angebracht ist. Im dargestellten Beispiel ist die Folie mit der Matte in einem Linienmuster 3 verschmolzen. Primär besteht die Folie aus einem Polyethylenfilm, kann aber auch ein anderes Kunststoffmaterial oder eine Metallfolie sein.
3 zeigt den Einfluß einer Abdeckfolie auf das Absorptionsmaterial. Je nach Dicke oder Gewicht der Folie erhält man eine mit der Frequenz abnehmende Absorption bei hohen Frequenzen. Die Darstellung zeigt eine typische Grundabsorption α eines porösen Absorptionsmaterials und die Auswirkung dreier unterschiedlicher Dicken, 5, 10 und 20 μm, einer solchen Folie. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Folie über den größeren Teil der Oberfläche des Absorptionsmaterials lose neben der Matte liegen sollte. Im dargestellten Fall ist dieses Problem dadurch gelöst, daß die Folie nur linienweise an der Matte befestigt ist. Bei direktem Kontakt, z. B. durch Kleben oder bei Anpressen der Folie an das Absorptionsmaterial, z. B. aus einer perforierten Bahn, ist die Absorption bei hohen Frequenzen beeinträchtigt. Mit einer Folie wird verhindert, daß Teilchen in das Absorptionsmaterial eindringen. Daher ist sie zum Gebrauch in Umgebungen geeignet, die Umweltanforderungen unterliegen. Das mit Folie überzogene Absorptionsmaterial hat auch bessere Langzeiteigenschaften, da Teilchen nicht eindringen und die porösen Kanäle zusetzen.
4 und 5 zeigen ein für ein gasförmiges Medium gestaltetes Transportsystem mit einem ersten 4, einem zweiten 5 und einem dritten 6 Kanalteilstück, die ein erfindungsgemäßes Absorptionsmaterial 1 enthalten. Da das Absorptionsmaterial dünn ist, hat es sehr geringen Einfluß auf die Querschnittfläche und führt somit zu einem extrem kleinen Druckabfall über das Kanalteilstück. Aufgrund seiner Plastizität ist das Absorptionsmaterial geeignet, als Leitschaufel (englisch guide vane) im System angeordnet zu werden, was im Beispiel gezeigt ist. Im Gegensatz zu bekannten Schalldämpfern ist die Länge des Absorptionsmaterials nicht auf die Länge des eigentlichen Dämpfers begrenzt, sondern es kann entlang dem Kanalsystem optional angeordnet sein. 5 zeigt einige Beispiele, wie das Absorptionsmaterial in Querrichtung des Kanals angeordnet sein soll. Im Kanal 7, der eine optionale Form haben kann, ist das Absorptionsmaterial 1 in einem Schichtmuster 8, einem Kreuzmuster 9 und einem Rundmuster 10 angeordnet. Im Schutzumfang der Erfindung sind auch andere Formen möglich.
Das erfindungsgemäße Absorptionsmaterial ist hervorragend geeignet, als resistiver Dämpfer zusammen mit einem Reflexions- oder Reaktionsdämpfer in einem Kanalsystem angeordnet zu werden. Durch geeignetes Dimensionieren der Eigenschaften solcher Dämpfer läßt sich eine sehr effiziente Dämpfung über ein Frequenzintervall, z. B. ein Terzband (englisch third octave band), erhalten.
Obwohl von Vorteil, ist das Kanalsystem nicht darauf beschränkt, daß es ein Kanalsystem mit einem kreiszylinderförmigen Querschnitt aufweist. Die Erfindung kann mit gleichwertigem Ergebnis auf Systeme mit einem Mehrkantenquerschnitt sowie auf Systeme mit längs gebogenen Teilstücken angewendet werden.

Claims

Schallabsorptionsmaterial für Hygieneräume mit einer einschichtigen porösen Matte, dadurch gekennzeichnet, daß der normierte Strömungswiderstand der Matte im Bereich von 0,5 bis 2 liegt.
Schallabsorptionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matte mehrere lange Fäden aufweist, die zu einer dünnen Bahn verdichtet sind.
Schallabsorptionsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind.
Schallabsorptionsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial ein Polyester ist.
Schallabsorptionsmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn durch ein Netz aus einem formbeständigen Material verstärkt ist.
Schallabsorptionsmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial eine Folie aufweist, die freien Kontakt mit der Matte herstellt.
Schallabsorptionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial eine perforierte Bahn aufweist, wenn es bei hohen Gastemperaturen verwendet wird.
Transportsystem für ein gasförmiges Medium mit mehreren Kanalteilstücken, wobei mindestens ein erstes Kanalteilstück ein Absorptionsmaterial mit einer einschichtigen porösen Matte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Matte dünn ist und ihr normierter Strömungswiderstand im Bereich von 0,5 bis 2 liegt.
Transportsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittfläche des Absorptionsmaterials unter 5% der Querschnittfläche des Kanalteilstücks liegt.
Transportsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial eine Matte aus verdichteten langen Polyesterfäden aufweist.
Transportsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial durch ein Netz aus einem formbeständigen Material verstärkt ist.
Transportsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial in einem Abstand entlang den Wänden des Kanals plaziert ist.
Transportsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial Leitschaufeln im Kanalteilstück bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Absorptionsmaterials für Hygieneräume mit einer einschichtigen porösen Matte, gekennzeichnet durch Einstellen des normierten Strömungswiderstands der Matte im Bereich von 1 bis 2.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Ausbilden der einschichtigen Matte aus mehreren langen Fäden, die zu einer dünnen Bahn verdichtet werden.
Verfahren zur Herstellung eines einschichtigen Absorptionsmaterials mit mehreren Kanälen mit einem charakteristischen Durchmesser, der einen resistiven Teil des normierten Strömungswiderstands beeinflußt, und einer charakteristischen Länge, die einen reaktiven Teil des normierten Strömungswiderstands beeinflußt, gekennzeichnet durch Verdichten mehrerer langer Fäden zu einer einschichtigen dünnen Bahn, bei der der resistive Teil des normierten Strömungswiderstands im Bereich von 0,5 bis 2 liegt und der reaktive Teil des normierten Strömungswiderstands durch den resistiven Teil begrenzt ist.
Verwendung eines Absorptionsmaterials nach Anspruch 1 mit einer einschichtigen porösen Matte, die einen normierten Strömungswiderstand der Matte im Bereich von 0,5 bis 2 hat, in einer Lüftungsanlage.
Verwendung eines Transportsystems nach Anspruch 8 mit mehreren Kanalteilstücken, wobei mindestens ein erstes Kanalteilstück ein einschichtiges dünnes Absorptionsmaterial mit einem normierten Strömungswiderstand im Bereich von 0,5 bis 2 aufweist, in einer Lüftungsanlage.